Badacze postanowili potraktować zasadę nieoznaczoności nie jako barierę, ale jako wyzwanie, które można obejść dzięki odpowiedniemu podejściu. Ich praca, opublikowana pod w Science Advances, pokazuje, że czasem warto spojrzeć na znane problemy z zupełnie nowej perspektywy.
Metoda nieoznaczoności Heisenberga ominięta
Zasada nieoznaczoności Heisenberga od niemal stu lat stanowiła fundament naszej wiedzy o mikroświecie. Mówi ona, że nie da się jednocześnie precyzyjnie zmierzyć położenia i pędu cząstki – im dokładniej znamy jedną z tych wielkości, tym mniej wiemy o drugiej. Teraz okazuje się, że można tę nieoznaczoność w pewien sposób “przekierować” w miejsca, gdzie nie będzie nam przeszkadzać.
Czytaj też: Naukowcy testują granice między fizyką klasyczną a kwantową. Posłużyły do tego dwie kulki
Dr Tingrei Tan z Uniwersytetu w Sydney wyjaśnia to w prosty sposób:
Pomyśl o nieoznaczoności jak o powietrzu w balonie. Nie możesz się jej pozbyć bez przebicia balonu, ale możesz ją ścisnąć, aby ją przesunąć. Właśnie to zrobiliśmy. Przesuwamy nieuniknioną nieoznaczoność kwantową w miejsca, na których nam nie zależy.
Co ciekawe, naukowcy sięgnęli po techniki opracowane pierwotnie dla komputerów kwantowych. Wykorzystali specjalne stany kwantowe, które pozwalają na precyzyjne pomiary drobnych zmian, rezygnując jednocześnie z informacji o wartościach absolutnych. W centrum eksperymentu znalazł się pojedynczy jon iterbu uwięziony w pułapce elektromagnetycznej, przygotowany w egzotycznych stanach sieciowych oraz stanach liczba-faza.
Wyniki okazały się lepsze niż zakładano. Zespół osiągnął zysk metrologiczny wynoszący 5,1 decybela dla pomiarów położenia i pędu oraz 3,1 decybela dla pomiarów liczby i fazy w porównaniu do standardowego limitu kwantowego. W praktyce oznacza to możliwość wykrywania zmian rzędu pół nanometra, co odpowiada wielkości pojedynczego atomu.
Jeszcze bardziej imponująca jest czułość na siły. Naukowcy potrafią teraz mierzyć oddziaływania o sile zaledwie 14,3 joktonewtonów na pierwiastek z herca. Dla porównania, jeden joktonewton to 0,000000000000000000000001 newtona – siła odpowiadająca ciężarowi zaledwie ok. 30 cząsteczek tlenu.
Dr Christophe Valahu, współautor badania, tłumaczy:
Stosując tę strategię w systemach kwantowych, możemy mierzyć zmiany zarówno w położeniu, jak i w pędzie cząstki znacznie precyzyjniej. Rezygnujemy z informacji globalnej, ale zyskujemy zdolność do wykrywania drobnych zmian z niespotykaną czułością.
Nowe drzwi dla technologii kwantowych
Potencjalne zastosowania tej technologii są niezwykle szerokie. W medycynie może to oznaczać urządzenia do obrazowania o bezprecedensowej precyzji, zdolne wykrywać najdrobniejsze zmiany w tkankach na poziomie komórkowym. W nawigacji sensory kwantowe mogą zrewolucjonizować poruszanie się w środowiskach pozbawionych sygnału GPS, takich łodzie podwodne czy sondy kosmiczne.
Czytaj też: Przeprowadzili eksperyment w ciśnieniu, jakie nie występuje na Ziemi. Cel? Kwantowa ciecz spinowa
Równie obiecujące są perspektywy dla astronomii. Obserwatoria fal grawitacyjnych, które już teraz rejestrują zderzenia czarnych dziur oddalonych o miliardy lat świetlnych, mogą stać się jeszcze czulsze. Nowa technologia otwiera też drogę do poszukiwań ciemnej materii, która stanowi jedną z największych zagadek współczesnej kosmologii.
Dr Valahu porównuje potencjał tej technologii do rewolucji, jaką przyniosły zegary atomowe:
Tak, jak zegary atomowe przekształciły nawigację i telekomunikację, sensory kwantowe o ekstremalnej czułości mogą umożliwić powstanie zupełnie nowych gałęzi przemysłu.
Warto jednak podkreślić, że zespół nie złamał fundamentalnych praw fizyki. Dr Ben Baragiola wyjaśnia:
Nie złamaliśmy zasady Heisenberga. Nasz protokół działa całkowicie w ramach mechaniki kwantowej. Schemat jest zoptymalizowany pod kątem małych sygnałów, gdzie drobne szczegóły są ważniejsze niż te zgrubne.
Obecnie technologia pozostaje w fazie laboratoryjnej, ale naukowcy widzą jej komercyjny potencjał. Kolejne etapy badań obejmują zwiększenie czasu pomiarów i wykorzystanie większych kryształów jonowych, co może poprawić czułość o kolejne rzędy wielkości.