Принцип неопределенности Гейзенберга, впервые сформулированный в 1927 году, гласит, что невозможно одновременно и с высокой точностью знать определенные свойства частицы, например, ее положение и импульс. На практике это означает, что чем точнее мы определили одно свойство в паре, тем менее определенным будет другое.

В исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, физики из Сиднейского университета продемонстрировали, как разработать альтернативный подход, позволяющий одновременно измерять положение и импульс с исключительной точностью.

«Представьте себе неопределенность как воздух в воздушном шаре, — сказал доктор Тингрей Тан, руководитель научной группы. — Его невозможно удалить, не испортив шар, но его можно сжать, чтобы сместить. По сути, именно это мы и сделали. Мы переносим неизбежную квантовую неопределенность в области, которые нас не интересуют (большие, резкие скачки положения и импульса), чтобы можно было точнее измерить мельчайшие детали, которые нам действительно важны».

Еще одна аналогия, которую исследователи используют для объяснения своего открытия — часы. Представьте себе обычные часы с двумя стрелками: часовой и минутной. Теперь представьте, что у часов только одна стрелка. Если это часовая стрелка, вы можете определить, который час и очень примерно — сколько минут. Если у часов только минутная стрелка, можно очень точно определить минуты, но совершенно не ясно, который час. Такое частичное измерение жертвует частью общей картины ради большей точности в деталях.

«Применяя эту стратегию в квантовых системах, мы можем гораздо точнее измерять изменения как положения, так и импульса частицы», — сказал Кристоф Валаху, первый автор статьи.

Эта стратегия была теоретически описана в 2017 году, а недавно команда доктора Тана впервые воплотила ее в эксперименте, сообщает Scitech Daily. Для этого они использовали подход, разработанный ими ранее для квантовых компьютеров с коррекцией ошибок. Ученые использовали мельчайшие колебательные движения захваченного иона — квантового эквивалента маятника. Измерив ион в особом квантовом состоянии, первоначально разработанном для квантовых вычислений с коррекцией ошибок, они показали, что и положение, и импульс могут быть измерены одновременно с точностью, превышающей «стандартный квантовый предел», то есть, самый высокий результат, доступный классическим сенсорам.

«Мы не нарушили принцип Гейзенберга. Наш протокол работает исключительно в рамках квантовой механики, — пояснил Бен Бараджиола, соавтор статьи. — Схема оптимизирована под слабые сигналы, где мелкие детали важнее грубых».

Способность обнаруживать мельчайшие изменения важна для науки и техники. Сверхточные квантовые датчики могут улучшить навигацию в условиях, где не работает спутниковая навигация; улучшить качество биологической и медицинской визуализации; управлять материалами и гравитационными системами; исследовать фундаментальные физические процессы.

Группа ученых из США открыла «жидкость, восстанавливающую форму» — смесь масла, воды и намагниченных частиц, которая при встряхивании быстро делится и образует форму классической древнегреческой вазы. Свойства этой жидкости противоречат принципам эмульгирования, которое основано на законах термодинамики.