Физики обошли принцип неопределённости Гейзенберга для создания сверхточных сенсоров

Доктор Кристоф Валаху в Лаборатории квантового контроля в Институте нанотехнологий Сиднейского университета. Автор: Фиона Вульф/Сиднейский университет

Физики из Австралии и Великобритании нашли способ «перераспределить» квантовую неопределённость, чтобы обойти ограничения знаменитого принципа неопределённости Гейзенберга. Это достижение может лечь в основу технологий сверхточных сенсоров для навигации, медицины и астрономии.

Принцип неопределённости Гейзенберга, сформулированный в 1927 году, утверждает, что невозможно одновременно с бесконечной точностью измерить некоторые пары свойств частицы, например, её положение и импульс. Чем точнее измеряется один параметр, тем менее определённым становится другой.

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, команда под руководством доктора Тингрэя Тана из Сиднейского университета экспериментально показала, как можно изменить этот компромисс для одновременного точного измерения положения и импульса.

«Представьте неопределённость как воздух в шарике. Вы не можете убрать его, не лопнув шарик, но можете сжать и переместить его. Именно это мы и сделали. Мы переместили неизбежную квантовую неопределённость в те области, которые нам не важны, чтобы с большей точностью измерить тонкие детали, которые нас интересуют», — пояснил доктор Тан.

Учёные используют аналогию с часами. Обычные часы с часовой и минутной стрелкой дают полную картину. Если оставить только часовую стрелку, можно точно определить час, но минуты будут известны очень приблизительно. Если оставить только минутную стрелку, минуты можно отслеживать точно, но будет потерян счёт часам. Это «модульное» измерение жертвует глобальной информацией ради получения более тонких деталей.

Схема, иллюстрирующая принцип модульного измерения. Автор: Сиднейский университет

«Применяя эту стратегию в квантовых системах, мы можем измерять изменения как положения, так и импульса частицы с гораздо большей точностью. Мы отказываемся от глобальной информации, но получаем возможность обнаруживать крошечные изменения с беспрецедентной чувствительностью», — сказал первый автор работы доктор Кристоф Валаху.

Эксперимент был проведён с использованием захваченного иона, чьи крошечные колебания аналогичны движению маятника. Ион подготавливали в специальных «решётчатых состояниях», первоначально разработанных для квантовых компьютеров с коррекцией ошибок. Это позволило измерить положение и импульс одновременно с точностью, превосходящей «стандартный квантовый предел» для классических датчиков.

Разработка может привести к созданию сверхчувствительных квантовых сенсоров для навигации без GPS (например, на подводных лодках или в космосе), улучшения медицинской визуализации и исследований в области фундаментальной физики. Пока метод демонстрируется в лаборатории, но он открывает новые возможности для измерения сверхслабых сигналов.

Работа стала результатом сотрудничества экспериментаторов из Сиднейского университета с теоретиками из Университета RMIT, Мельбурнского университета, Университета Маккуори и Бристольского университета.

Больше информации: Quantum-enhanced multi-parameter sensing in a single mode, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw9757