"Извините, герр Гейзенберг, ваш принцип больше не мешает" — квантовые сенсоры заменят GPS в космосе

Учёные из Сиднейского университета предложили метод обхода фундаментального ограничения, известного как принцип неопределённости Гейзенберга. Суть работы заключается в том, что квантовые флуктуации нельзя устранить, но их можно перенаправить в область свойств, которые не имеют значения для конкретного измерения. Это позволяет добиться высокой чувствительности в тех характеристиках, которые важны для прикладных задач. Такой подход открывает перспективу для создания нового класса сенсоров, способных работать там, где привычные технологии бессильны — например, в подземных условиях, на подводных судах или в космосе.

Принцип, сформулированный почти век назад, утверждает, что невозможно одновременно с абсолютной точностью определить координату частицы и её импульс. Чем точнее зафиксирован один параметр, тем более расплывчатым становится другой. Именно это соотношение долгое время считалось непреодолимым барьером для высокоточной метрологии.

Авторы объясняют идею на простой картине. Если представить неопределённость как воздух внутри шара, его нельзя убрать, не разрушив оболочку, но можно сжать в одной части, освободив другую. Исследователи перенесли это на квантовые состояния: они «вытеснили» шум из области тонких деталей в более грубые характеристики, которые не представляют интереса.

Для наглядности используется сравнение с циферблатом. В часах с двумя стрелками легко определить и общую картину, и точное время. Если оставить только часовую стрелку, то можно понять, какой сейчас час, но минуты будут расплывчаты. Если же убрать её и оставить минутную, то минуты читаются идеально, но теряется контекст. Такой принцип перенесли в квантовую механику, пожертвовав частью глобальной информации ради беспрецедентной точности локальных изменений.

Эксперимент поставили на ионе, удерживаемом в ловушке и совершающем колебания — квантовом аналоге маятника. Его подготовили в сеточных состояниях, разработанных ранее для коррекции ошибок в вычислительных системах. Используя эту конфигурацию, исследователи показали, что можно одновременно фиксировать координату и импульс с точностью выше стандартного квантового предела — уровня, доступного только классическим сенсорам.

Пока речь идёт о лабораторной демонстрации, но сама концепция открывает широкий спектр приложений. Подобные устройства могут использоваться для навигации там, где недоступен GPS, для медицинской диагностики, а также для регистрации слабейших сигналов в астрофизике и материаловедении. Авторы подчёркивают: речь идёт не о замене существующих технологий, а о появлении дополнительного инструмента, который дополняет арсенал квантовой метрологии.