Sprytne przesunięcie nieoznaczoności kwantowej
Zasada nieoznaczoności, sformułowana przez Wernera Heisenberga w 1927 roku, nie została przez naukowców złamana. Zamiast tego zastosowali oni kreatywne podejście polegające na “przeniesieniu” niepewności pomiarowej w obszary, w których ma ona mniejsze znaczenie. Tingrei Tan z University of Sydney tłumaczy to w prosty sposób:
Pomyśl o nieoznaczoności jak o powietrzu w balonie. Nie możesz go usunąć bez pęknięcia balonu, ale możesz je ścisnąć, aby je przesunąć. To właśnie skutecznie zrobiliśmy. Przesuwamy nieuniknioną nieoznaczoność kwantową w miejsca, na których nam nie zależy, aby drobne szczegóły, na których nam zależy, mogły być mierzone precyzyjniej
Metoda wykorzystuje zmienne modularne oraz specjalne konfiguracje kwantowe znane jako stany siatkowane, które zostały zaadaptowane z dziedziny obliczeń kwantowych. Eksperyment przeprowadzono z użyciem pojedynczego jonu iterbu-171 umieszczonego w pułapce Paula.
Rekordowa precyzja pomiarów
Wyniki badań okazały się lepsze niż zakładano. Naukowcom udało się osiągnąć wzmocnienie metrologiczne na poziomie 5,1 decybela dla pomiarów położenie-pęd oraz 3,1 decybela dla pomiarów liczba-faza. Oznacza to znaczącą poprawę w stosunku do standardowych limitów kwantowych. Christophe Valahu zwraca uwagę na praktyczny wymiar tego osiągnięcia:
Dzięki zastosowaniu tej strategii w układach kwantowych możemy mierzyć zmiany zarówno położenia, jak i pędu cząstki znacznie precyzyjniej. Porzucamy informację globalną, ale zyskujemy możliwość wykrywania drobnych zmian z niespotykaną czułością
Czułość opracowanego czujnika przemieszczeń sięga 14,3 joktonewtonów na hertz. Dla porównania, joktonewton to jedna kwadrylionowa część newtona, czyli niewyobrażalnie mała wartość, która jednak może mieć ogromne znaczenie w badaniach podstawowych. Kluczowym aspektem pracy było pierwsze w historii eksperymentalne uzyskanie i kontrola stanów liczba-faza. Te specjalne konfiguracje kwantowe umożliwiają jednoczesne precyzyjne pomiary właściwości, które normalnie wykluczają się wzajemnie. Naukowcy zastosowali algorytm szacowania fazy kwantowej z wnioskowaniem bayesowskim, co pozwoliło na dodatkowe zmniejszenie wariancji pomiarowej.
Czytaj też: Zapomnij o wszystkim, co wiedziałeś o elektronach. Odkrycie z Rice University wywraca fizykę do góry nogami
To sprytne przejście z obliczeń kwantowych do czujników. Pomysły pierwotnie zaprojektowane dla komputerów kwantowych mogą zostać wykorzystane tak, aby czujniki odbierały słabsze sygnały bez zagłuszania przez szum kwantowy – wyjaśnia Nicolas Menicucci
Co z tym zrobić w praktyce?
Ultraprecyzyjne czujniki kwantowe mogłyby znaleźć zastosowanie w nawigacji w środowiskach pozbawionych dostępu do GPS, w zaawansowanym obrazowaniu medycznym czy badaniach astronomicznych. Valahu porównuje potencjał odkrycia do wcześniejszych przełomów: tak jak zegary atomowe zmieniły nawigację i telekomunikację, czujniki wzmocnione kwantowo o ekstremalnej czułości mogą umożliwić powstanie zupełnie nowych gałęzi przemysłu. Badanie opublikowane w Science Advances pokazuje, że nawet najbardziej fundamentalne ograniczenia można czasem kreatywnie obejść. Nie zmienia to praw mechaniki kwantowej, lecz demonstruje, że wciąż uczymy się je wykorzystywać w nowy, bardziej efektywny sposób.