Основоположні дослідження прокладають шлях для квантових датчиків нового покоління.
Фізики в Австралії та Великобританії знайшли спосіб переробити квантову невизначеність, пропонуючи новий метод, який обходить межі, встановлені відомим принципом невизначеності Гейзенберга. Їх відкриття може з надзвичайною точністю закласти основу для датчиків нового покоління, з потенційним використанням у навігації, медичній візуалізації та астрономії.
Принцип невизначеності Гейзенберга, вперше введений у 1927 році, зазначає, що неможливо знати певні пари властивостей, такі як положення та імпульс частинки, з необмеженим точність в той же час. На практиці це означає, що підвищення точності в одній власності неминуче зменшує визначеність в іншій.
У дослідженні, опублікованому в Наука прогресуєдослідники на чолі з доктором Тінгрей Тан з Університет Сіднея Нано-інститут та школа фізики продемонстрували, як розробити альтернативний компроміс, який дозволяє одночасно вимірювати позицію та імпульс з винятковою точністю.
“Подумайте про невизначеність, як повітря в повітряній кулі”, – сказав доктор Тан, науковий співробітник Sydney Horizon. “Ви не можете зняти його, не вискакуючи повітряну кулю, але ви можете стиснути його, щоб змінити його. Це ефективно те, що ми зробили. Ми підштовхуємо неминучу квантову невизначеність до місць, про які ми не піклуємося (великі, грубі стрибки в положення та імпульс), тому тонкі деталі, про які ми дбаємо, можна виміряти точніше”.
Дослідники також використовують аналогію годинника для пояснення їх висновків (див. Зображення). Подумайте про звичайний годинник двома руками: годину руки та хвилинну руку. А тепер уявіть, що годинник має лише одну руку. Якщо це година руки, ви можете сказати, яка година, і приблизно в якух хвилини, але хвилина читання буде дуже неточною. Якщо годинник має лише хвилинну руку, ви можете прочитати протокол дуже точно, але ви втрачаєте відстеження більшого контексту – зокрема, в якій годині ви перебуваєте. Це «модульне» вимірювання жертвує деякою глобальною інформацією в обмін на набагато тонкішу деталь.
“Застосовуючи цю стратегію в квантових системах, ми можемо виміряти зміни як позиції, так і імпульсу частинки набагато точніше”, – сказав перший автор доктор Крістоф Валаху з лабораторної групи з квантового контролю в Сіднейському університеті. “Ми відмовляємось від глобальної інформації, але отримуємо можливість виявляти крихітні зміни з безпрецедентною чутливістю”.
Інструменти квантових обчислень для нового протоколу зондування
Ця стратегія була викладена теоретично у 2017 році. Тут команда доктора Тана провела першу експериментальну демонстрацію, використовуючи технологічний підхід, який вони раніше розробляли для виправлених помилок квантових комп’ютерів, що нещодавно опублікований у Фізика природи.
“Це акуратний кросовер від квантові обчислення Зондування,-сказав співавтор професор Ніколя Меникуччі, теоретик університету РМІТ. “Ідеї, спочатку розроблені для надійних квантових комп’ютерів, можна переробити, щоб датчики підбирали слабкіші сигнали, не заглушуючи квантовим шумом.
Команда Сіднея реалізувала протокол зондування, використовуючи крихітний вібраційний рух захопленого іона – квантового еквівалента маятника. Вони підготували іон у «сіткових станах», свого роду квантового стану, спочатку розробленого для виправлених помилок квантових обчислень. З цим вони показали, що і положення, і імпульс можна виміряти разом з точністю за межами “стандартної квантової межі” – найкраще досяжно, використовуючи лише класичні датчики.
“Ми не зламали принцип Гейзенберга. Наш протокол працює повністю в рамках квантової механіки”,-сказав доктор Бен Барагіола, співавтор з RMIT. «Схема оптимізована для невеликих сигналів, де тонкі деталі мають значення більше, ніж грубі.
Чому це має значення
Здатність виявляти надзвичайно малі зміни важлива для науки та технологій. Ультрабічні квантові датчики можуть посилити навігацію в умовах, де GPS не працює (наприклад, підводні човни, під землею або космічний польотів); посилити біологічні та медичні візуалізації; контролювати матеріали та гравітаційні системи; або зондування фундаментальної фізики.
Перебуваючи на лабораторній стадії, експеримент демонструє нову рамку для майбутніх технологій зондування, спрямованих на вимірювання крихітних сигналів. Замість того, щоб замінити існуючі підходи, він додає додатковий інструмент до панелі інструментів з квантовим зондуванням.
“Так само, як атомні годинники перетворили навігацію та телекомунікації, датчики з квантовими з екстремальною чутливістю можуть забезпечити цілі нові галузі”,-сказав доктор Валаху.
Спільні зусилля
Цей проект Об’єднаний експерименталістів в Сіднейському університеті з теоретиками в Ріті, Мельбурнському університеті, Університеті Маккварі та Університет Брістоля у Британії. Він показує, як співпраця в установах та кордонах може прискорити прогрес та зміцнити квантове дослідницьке співтовариство Австралії.
“Ця робота висвітлює силу співпраці та міжнародні зв’язки, що сприяють виявленню”, – сказав доктор Тан.
Довідка: «Мультипараметром з квантово-посиленим зондуванням в одному режимі» 24 вересня 2025 р., Наука прогресує.
Doi: 10.1126/sciadv.adw9757
Фінансування: Австралійська дослідницька рада, Управління морських досліджень, Управління з питань фізичних наук США, Управління наукових досліджень ВВС, Локхід Мартін, Європейська комісія, Академія Сіднея, Х. та А. Харлі
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
