Физики сдвинули границы невозможного: неопределённость теперь можно настраивать, как эквалайзер

Физики из Австралии и Великобритании нашли способ перераспределять квантовый разброс и тем самым измерять координаты и импульс частицы с гораздо большей точностью, чем позволяли прежние методы. Такой результат открывает основу для создания ультрачувствительных измерительных систем, которые могут применяться в автономной навигации без GPS, медицинской диагностике, астрономических наблюдениях и фундаментальных экспериментах.

Принцип неопределённости Гейзенберга, сформулированный ещё в 1927 году, гласит: чем точнее определяется одна характеристика частицы, тем сильнее размывается другая. Одновременное абсолютно точное знание обеих величин невозможно. В новой работе, опубликованной в журнале Science Advances, показано, что распределение этой неизбежной погрешности можно перенаправлять. Смысл подхода в том, чтобы сместить ошибки в области, несущественные для эксперимента, и за счёт этого увеличить точность там, где она наиболее значима.

Авторы приводят простые аналогии. Квантовую неопределённость можно представить как воздух в шарике: полностью убрать его нельзя, но можно перекачать из одной зоны в другую. Другой образ — часы. Если оставить только часовую стрелку, будет ясно, какой сейчас час, но минуты можно определить лишь приблизительно. При наличии лишь минутного указателя, наоборот, легко определить мелкие промежутки времени, но теряется общий контекст. В своём эксперименте исследователи пожертвовали глобальной информацией ради возможности фиксировать малейшие изменения с исключительной чувствительностью.

Подобная идея впервые была предложена теоретиками ещё в 2017 году. Теперь команда под руководством доктора Тинрея Тана из Университета Сиднея сумела реализовать её на практике. Для этого применили технику, разработанную ранее для квантовых вычислителей с коррекцией ошибок и описанную в Nature Physics. Как отмечает профессор Николас Меникуччи из RMIT, методы, созданные для защиты квантовых процессоров от шумов, оказались полезны и в сенсорике, позволяя усиливать слабые сигналы, которые раньше терялись в фоне квантовых флуктуаций.

В эксперименте использовался ион в ловушке, колеблющийся наподобие маятника. Его подготовили в особых сеточных состояниях — разновидности квантовых режимов, изначально предложенных для вычислительных систем с коррекцией ошибок. Благодаря этому удалось одновременно фиксировать положение и импульс с точностью, превышающей стандартный квантовый предел — границу, которая ограничивает возможности традиционных датчиков. Как подчёркивает соавтор проекта доктор Бен Бараджиола из RMIT, принцип Гейзенберга нарушен не был: протокол полностью соответствует законам квантовой механики, просто смещает акцент на те параметры, где требуются самые точные измерения.

Значимость результата огромна. Возможность улавливать мельчайшие изменения открывает путь к новым практическим решениям. Такие приборы могут обеспечить подводные лодки и космические аппараты средствами ориентирования там, где спутниковые системы не работают, повысить качество медицинской визуализации, помочь в мониторинге материалов и гравитационных явлений, а также в исследованиях фундаментальных процессов. Пока речь идёт лишь о лабораторной демонстрации, но она формирует принципиально новую архитектуру сенсоров, которая не заменяет существующие подходы, а дополняет их.

Исследователи подчеркивают: так же, как атомные часы изменили навигацию и телекоммуникации, датчики с квантовым усилением чувствительности могут создать целые новые отрасли. Проект объединил экспериментаторов из Университета Сиднея и теоретиков из RMIT, а также специалистов из вузов Мельбурна, Макаори и британского Бристоля. Работа показала, насколько важна международная кооперация и как совместные усилия ускоряют прогресс, одновременно укрепляя позиции Австралии в глобальном квантовом сообществе.