Физики измерили как импульс, так и положение частицы, не нарушая знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга.

В квантовой механике частицы не имеют фиксированных свойств, как обычные объекты. Вместо этого они существуют в тумане возможностей и вероятностей, пока их не измерят. А когда измеряются определённые свойства, некоторые другие становятся неопределёнными. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, невозможно одновременно знать точное положение частицы и её точный импульс.

Но новое исследование показало, что существует хитроумная лазейка в этом ограничении. Физики из Австралии продемонстрировали, что, сосредоточившись на различных величинах, известных как модулярные наблюдаемые величины, они могут одновременно измерить положение и импульс.

«Невозможно нарушить принцип неопределённости Гейзенберга, — сказал Кристоф Валаху, физик из Сиднейского университета и ведущий автор исследования. — В нашем эксперименте мы просто смещаем неопределённость. Мы отбрасываем ненужную информацию, чтобы с большей точностью измерить то, что нас интересует».

Хитрость Валаху и его команды заключалась в том, что вместо прямого измерения импульса и положения они измеряли модульный импульс и модульное положение, которые отражают относительные сдвиги этих величин в пределах фиксированной шкалы, а не их абсолютные значения.

Валаху сказал, что такой вид измерения важен в сценариях квантового зондирования, потому что цель часто заключается в обнаружении крошечных сдвигов, вызванных слабыми силами или полями. Квантовое зондирование используется для улавливания сигналов, которые обычные приборы часто пропускают. Такой уровень точности может когда-нибудь сделать наши навигационные инструменты более надёжными, а наши часы — ещё более точными.

В лаборатории команда обратилась к одиночному захваченному иону — одиночному заряженному атому, удерживаемому на месте электромагнитными полями. Они использовали настроенные лазеры, чтобы заставить ион перейти в квантовое состояние, называемое решёткой.

В состоянии решётки волновая функция иона распределяется в виде ряда равномерно расположенных пиков, похожих на деления на линейке. Неопределённость сосредоточена в промежутках между делениями. Исследователи использовали пики в качестве опорных точек: когда небольшая сила толкает ион, весь решётчатый узор слегка сдвигается. Небольшой боковой сдвиг пиков отображается как изменение положения, а наклон решётчатого узора отражает изменение импульса. Поскольку измерение учитывает только сдвиги относительно пиков, изменения положения и импульса можно считывать одновременно. Наблюдая за движением сетки, исследователи измерили крошечное усилие, действующее на ион.

Сила примерно 10 йоктоньютонов (10-23 Н) не является мировым рекордом. «Люди превзошли этот результат примерно на два порядка, но они используют огромные кристаллы в очень крупных и дорогостоящих экспериментах, — сказал Валаху. — Мы так воодушевлены, потому что можем добиться действительно хорошей чувствительности, используя один атом в ловушке, которая не так сложна и в некоторой степени масштабируема».

Несмотря на то, что достигнутая сила не является самой низкой, это доказывает, что учёные могут получить очень высокую чувствительность с помощью очень простых установок. Способность улавливать крошечные изменения имеет широкие последствия для науки и техники. Сверхточные квантовые датчики могут улучшить навигацию в местах, где GPS не работает, например под водой, под землёй или в космосе. Они также могут улучшить биологическую и медицинскую визуализацию.