Новый метод позволяет одновременно измерять положение и импульс частицы с точностью, превышающей стандартный квантовый предел. Такой подход обходит принцип неопределённости Гейзенберга и открывает перспективы для создания уникальных высокоточных датчиков.

Принцип неопределённости и его ограничения

В основе квантовой механики лежит принцип неопределённости, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Согласно ему, невозможно с абсолютной точностью одновременно знать определённые пары свойств частицы, например, её положение и импульс. Чем точнее определяется положение, тем менее точно можно узнать импульс, и наоборот. Это не недостаток измерительных приборов, а фундаментальное свойство природы.

Данное ограничение создаёт естественный барьер для развития сверхчувствительных технологий: точность любых измерений в итоге упирается в так называемый «стандартный квантовый предел» — максимальный результат, достижимый классическими методами. Чтобы преодолеть этот предел, необходимы новые стратегии, позволяющие «обмануть» природу, не нарушая её законов.

Новый подход к измерениям

Группа физиков из Австралии и Великобритании предложила инновационный метод, результаты которого опубликованы в журнале Science Advances. Учёные не нарушили принцип Гейзенберга, а нашли способ его обойти, перераспределяя неизбежную квантовую неопределённость. Они сравнили этот процесс с воздухом в воздушном шаре: его нельзя убрать, не лопнув шар, но можно сжать и переместить в другую часть. Исследователи «вытеснили» неопределённость в те области измерений, которые для них не были важны, что позволило с высокой точностью фиксировать интересующие их малые изменения.

Экспериментальная реализация

В эксперименте использовались колебания одиночного иона иттэрбия, который выступал в роли квантового маятника. С помощью лазеров ион был подготовлен в особом «решёточном состоянии», заимствованном из области квантовых вычислений. Вместо прямого измерения положения и импульса, учёные определяли их «модульные» аналоги.

Это можно сравнить с тем, как если бы бесконечную линейку свернули в кольцо: теряется информация о том, на каком «витке» находится точка, но появляется возможность очень точно определить её положение внутри кольца. Аналогично, исследователи отказались от глобальной информации о системе, чтобы сосредоточиться на измерении мельчайших изменений. Главный трюк в том, что эти новые модульные переменные при правильной настройке становятся совместимыми (коммутирующими), и на них не распространяется привычное ограничение принципа неопределённости, что позволяет измерять их одновременно.

Визуализация и результаты

Ион иттэрбия был подготовлен в неклассическом «решёточном состоянии», которое на графике выглядит как регулярная сетка из множества чётких пиков — каждый пик соответствует определённым модульным значениям положения и импульса. Учёные подвергали ион небольшим смещениям и измеряли изменения его состояния. При внешнем воздействии вся решётка смещалась на крошечную величину, и, фиксируя этот сдвиг с помощью лазерных манипуляций, физики определяли изменение положения и импульса одновременно с точностью, превышающей стандартный квантовый предел.

Метод был протестирован и для другой пары несовместимых величин — числа частиц и фазы. В результате точность измерений превысила стандартный квантовый предел на 5,5 децибела для пары «положение — импульс» и на 3,2 децибела для пары «число — фаза».

Перспективы и применение

Хотя работа пока находится на лабораторной стадии, она демонстрирует новую основу для будущих сенсорных технологий. Этот подход не заменяет существующие методы, а расширяет арсенал инструментов квантовой метрологии.

Технологии, основанные на данном принципе, могут привести к созданию сверхчувствительных датчиков для навигации в условиях отсутствия GPS — например, на подводных лодках или в космосе, а также для медицинской визуализации, изучения гравитационных волн и поиска тёмной материи.