Новый взгляд на принцип неопределенности: Ученые одновременно измеряют позицию и импульс частицы

Физики смогли измерить и импульс, и положение частицы, не нарушая знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга. В рамках квантовой механики частицы не имеют фиксированных свойств, как обычные объекты. Они существуют в состоянии неопределенности, пока не будут измерены. При этом, если измеряются одни свойства, другие становятся неопределенными. Согласнозакону неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно знать точное положение и импульс частицы.

Однако новое исследование продемонстрировало хитрый обход этого ограничения. Ученые в Австралии показали, что, сосредоточившись на различных величинах, известных как модульные наблюдаемые, они могут одновременно измерять положение и импульс.

«Нельзя нарушать принцип неопределенности Гейзенберга», — сказал Кристоф Валаху, физик из Университета Сиднея и главный автор исследования. «Мы переносим неопределенность. Мы отбрасываем ненужную информацию, чтобы с гораздо большей точностью измерить то, что важно».

Секрет Валаху и его команды заключался в том, чтобы вместо прямого измерения импульса и положения измерять модульный импульс и модульное положение, которые фиксируют относительные изменения этих величин в режиме фиксированного масштаба, а не их абсолютные значения.

«Представьте, что у вас есть линейка. Если вы просто измеряете положение чего-то, вы зачитываете, сколько сантиметров это расстояние, а затем, сколько миллиметров после этого, — пояснил Валаху. — Но в модульном измерении вы не беспокоитесь о том, в каком сантиметре находитесь. Вам важно, сколько миллиметров вы находитесь от последней отметки. Вы избавляетесь от общей позиции и просто отслеживаете небольшие колебания».

Такой тип измерения важен в сценариях квантового сенсинга, поскольку цель часто заключается в том, чтобы обнаружить крошечные изменения, вызванные слабыми полями или силами. Квантовый сенсинг используется для улавливания сигналов, которые обычные инструменты часто не могут зарегистрировать. Этот уровень точности в будущем может сделать наши навигационные инструменты более надежными, а часы — еще более точными.

В лаборатории команда сосредоточилась на одном захваченном ионе — одиночном заряженном атоме, удерживаемом в месте при помощи электромагнитных полей. Они использовали настроенные лазеры, чтобы привести ион в квантовый режим, известный как грид-состояние.

В грид-состоянии волновая функция иона распределяется в виде ряда равномерно расположенных пиков, как отметки на линейке. Неопределенность сосредоточена в промежутках между отметками. Исследователи использовали эти пики как опорные точки: когда небольшая сила толкает ион, вся решетка немного сдвигается. Небольшое боковое смещение пиков отражает изменение положения, в то время как наклон решетки отражает изменение импульса. Поскольку измерение сосредоточено только на изменениях относительно пиков, изменения и положения, и импульса могут быть считаны одновременно.

Именно здесь и появляется сила. В физике сила — это то, что заставляет импульс меняться со временем и позицию смещаться. Наблюдая за тем, как перемещается решетчатый узор, исследователи измерили малую силу, действующую на ион.

Сила, равная примерно 10 йотоньютонам (10^-23 ньютона), не является мировым рекордом. «Некоторые уже превзошли это значение примерно на два порядка величины, но они используют огромные кристаллы в очень больших и дорогих экспериментах», — отметил Валаху. «Причина, по которой мы так взволнованы, заключается в том, что мы можем получить очень хорошую чувствительность, используя один атом в не очень сложной ловушке, которая относительно легко масштабируется».

Несмотря на то что достигнутая сила не является самой низкой, она доказывает, что ученые могут получить крайне высокую чувствительность из довольно простых настроек. Способность улавливать крошечные изменения имеет широкие последствия для науки и технологии. Ультраточные квантовые сенсоры могут улучшить навигацию в местах, где GPS не доходит, таких как под водой, в недрах земли или в космосе. Это также может повысить качество биологических и медицинских изображений.

«Точно так, как атомные часы революционизировали навигацию и телекоммуникации, сенсоры, усиленные квантовыми принципами с экстраординарной чувствительностью, могут открыть двери для совершенно новых индустрий», — заключил Валаху.