Парадокс в квантовата физика: Физиците откриха начин да заобиколят принципа на неопределеност на Хайзенберг, без да го нарушават

Физици от Австралия и Великобритания откриха начин да заобиколят ограниченията, наложени от принципа на неопределеност на Хайзенберг, без да го нарушават. Те показаха експериментално как могат да се измерят едновременно два параметъра на частица с висока точност. Тяхното откритие може да положи основите на високоточни сензори, които биха могли да намерят приложение в навигацията, медицинските изображения и астрономията.

Принципът на неопределеност на Хайзенберг, формулиран за първи път през 1927 г., гласи, че е невъзможно да се знаят едновременно и с висока точност определени свойства на частица, като например нейното положение и импулс. На практика това означава, че колкото по-точно сме определили едното свойство в двойката, толкова по-малко сигурно ще бъде другото.

В изследване, публикувано в списание Science Advances, физици от Университета в Сидни демонстрираха как да се разработи алтернативен подход, който може да измерва едновременно позицията и импулса с изключителна точност.

„Представете си неопределеността като въздух в балон“, казва д-р Тингрей Тан, ръководител на изследователския екип. – „Тя не може да бъде премахната, без да се разруши балонът, но може да бъде компресирана, за да се смести. По същество ние направихме точно това. Преместваме неизбежната квантова неопределеност в области, които не ни интересуват (големи, резки скокове в позицията и импулса), за да можем по-точно да измерим дребните детайли, които наистина ни интересуват.“

Друга аналогия, която изследователите използват, за да обяснят откритието си, е часовник. Представете си обикновен часовник с две стрелки: часова и минутна. Сега си представете, че часовникът има само една стрелка. Ако това е часовата стрелка, можете да определите колко е часът и колко приблизително са минутите. Ако часовникът има само минутна стрелка, можете много точно да определите минутите, но изобщо не е ясно колко е часът. При това частично измерване се жертва част от общата картина за по-голяма точност в детайлите.

„Като прилагаме тази стратегия към квантовите системи, можем да измерваме много по-точно промените както в позицията, така и в импулса на частицата“, казва Кристоф Валаху, първи автор на статията.

Тази стратегия беше теоретично обоснована през 2017 г., а екипът на д-р Тан наскоро я приложи за първи път в експеримент, съобщи Scitech Daily. За целта те използваха подход, който по-рано бяха разработили за квантовите компютри с корекция на грешките. Учените са използвали миниатюрното осцилиращо движение на уловен йон – квантовият еквивалент на махалото. Чрез измерване на йона в специално квантово състояние, първоначално разработено за корекция на грешките в квантовите компютри, те показаха, че едновременно могат да бъдат измерени както позицията, така и импулсът с точност, която надвишава „стандартната квантова граница“ – т.е. най-високият резултат, с който разполагат класическите сензори.

„Ние не нарушихме принципа на Хайзенберг. Нашият протокол работи единствено в рамките на квантовата механика“, обяснява Бен Бараджиола, съавтор на статията. – Схемата е оптимизирана за слаби сигнали, при които фините детайли са по-важни от грубите.“

Способността да се откриват малките промени е важна за науката и инженерството. Свръхпрецизните квантови сензори биха могли да подобрят навигацията в среди, където сателитната навигация не работи; да подобрят биологичните и медицинските изображения; да манипулират материалите и гравитационните системи; и да изследват фундаменталните физични процеси.