Учёные пробили «квантовый потолок» — неопределённость скорости оказалась меньше предела

Учёные Токийского университета добились результата, который позволяет продвинуть исследования квантовой механики за привычные пределы. Им удалось зафиксировать явление квантового сжатия движения наночастицы, когда неопределённость её скорости оказалась меньше предела, который долгое время считался фундаментальной границей.

Этот эффект открывает новые возможности как для проверки основных положений квантовой физики, так и для создания практических технологий. В будущем на его основе можно будет разрабатывать высокочувствительные датчики, способные обеспечить автономную навигацию без спутников и повысить точность в медицине, геологии и телекоммуникациях.

Ключевым элементом эксперимента стало одно из базовых свойств микромира — принцип неопределённости. В квантовой системе невозможно абсолютно точно измерить положение и скорость частицы, так как её движение всегда подвержено колебаниям. Даже в минимальном энергетическом состоянии остаются нулевые флуктуации. Метод квантового сжатия позволяет уменьшить диапазон этих флуктуаций, создавая состояние, которое уже традиционного предела.

Ранее подобные эффекты наблюдали у фотонов и атомов. Команда под руководством Киётаке Айкавы решила проверить применимость метода на объекте другого масштаба — стеклянной наночастице. Она оказалась достаточно крупной, чтобы приблизиться к границе с макромиром, и достаточно малой, чтобы подчиняться квантовым законам.

Частицу удерживали в вакууме с помощью лазерной ловушки и охлаждали почти до её минимального энергетического уровня. Затем её на короткое время освобождали и фиксировали распределение скоростей. При определённых условиях удалось увидеть, что это распределение оказалось уже, чем предсказывает теория для основного состояния. Такой результат стал прямым свидетельством квантового сжатия.

Эксперимент потребовал значительных усилий. Левитирующие наночастицы очень чувствительны к внешним воздействиям, а малейшие шумы или вибрации разрушали условия опыта. Учёные несколько лет добивались стабильности, пока не удалось найти режим, который можно воспроизводить надёжно. Как отметил Айкава, именно эта чувствительность к окружающей среде в итоге сделала систему уникально ценной для исследований.

Созданная установка стала моделью, позволяющей изучать границу между классическим и квантовым описанием. Она даёт возможность наблюдать за тем, как фундаментальные законы проявляются на масштабах, больших, чем атомные, но ещё далёких от привычных объектов.

Практическая ценность открытия заключается в возможности разрабатывать сенсоры нового поколения. Они смогут работать с точностью, недостижимой для традиционных устройств, и использоваться в навигационных системах, которые не зависят от GPS. Такие датчики также будут полезны в медицине, для исследования геологических структур и для высокоскоростной передачи информации.

Для исследователей нынешний результат — только первый шаг. Работа показывает, что квантовые эффекты можно наблюдать в системах, выходящих за рамки микроскопического уровня. Это значит, что квантовая механика постепенно приближается к макроскопическим масштабам, и её законы можно проверять не только на атомах и фотонах, но и на более сложных объектах.