Základní výzkum připravuje cestu pro kvantové senzory nové generace.
Fyzici v Austrálii a ve Velké Británii našli způsob, jak přetvořit kvantovou nejistotu a nabídnout novou metodu, která obchází hranice stanovené známým principem Heisenberg nejistoty. Jejich objev by mohl položit základy pro senzory nové generace s mimořádnou přesností, s potenciálním využitím v navigaci, lékařském zobrazování a astronomii.
Princip nejistoty Heisenberg, poprvé představený v roce 1927, uvádí, že není možné znát určité páry vlastností, jako je poloha a hybnost částice, s neomezeným přesnost ve stejnou dobu. V praxi to znamená, že zvyšování přesnosti v jedné vlastnosti nevyhnutelně snižuje jistotu ve druhé.
Ve studii zveřejněné ve Pokroky vědyVědci vedeni Dr. Tingrei Tan z University of Sydney Nano Institute a Physics School of Physics prokázali, jak navrhnout alternativní kompromis, který umožňuje měřit polohu a hybnost současně s výjimečnou přesností.
„Pomysli na nejistotu, jako je vzduch v balónu,“ řekl Dr. Tan, člen Sydney Horizon na Fakultě vědy. „Nemůžete to odstranit, aniž byste se objevili balón, ale můžete jej stisknout, abyste jej posunuli. To je efektivně to, co jsme udělali. Posunujeme nevyhnutelnou nejistotu na místa, na kterých se nestaráme (velké, hrubé skoky v poloze a hybnosti), takže jemné detaily, které nám záleží, lze přesněji měřit.“
Vědci také používají analogii hodin k vysvětlení jejich zjištění (viz obrázek). Pomyslete na normální hodiny se dvěma rukama: hodinová ruka a minutová ruka. Nyní si představte, že hodiny mají pouze jednu ruku. Pokud je to hodinová ruka, můžete zjistit, jakou je to hodinu a zhruba jakou minutu, ale nepatrné čtení bude velmi nepřesné. Pokud hodiny mají pouze minutovou ruku, můžete si přečíst minuty velmi přesně, ale ztratíte přehled o širším kontextu – konkrétně, ve které hodině jste. Toto „modulární“ měření obětuje některé globální informace výměnou za mnohem jemnější detaily.
„Použitím této strategie v kvantových systémech můžeme měřit změny v pozici i hybnosti částice mnohem přesněji,“ uvedl první autor Dr. Christophe Valahu z týmu Quantum Control Laboratory na University of Sydney. „Vzdáváme se globálních informací, ale získáme schopnost detekovat malé změny s bezprecedentní citlivostí.“
Kvantové výpočetní nástroje pro nový protokol snímání
Tato strategie byla teoreticky v roce 2017. Zde tým Dr. Tan provedl první experimentální demonstraci pomocí technologického přístupu, který se dříve vyvinuli pro kvantové počítače korigované chyby, což je výsledek nedávno publikoval v Fyzika přírody.
„Je to úhledný crossover od.“ kvantové výpočetní techniky Snížení, “řekl spoluautor profesor Nicolas Menicucci, teoretik z RMIT University.„ Myšlenky, které byly poprvé navrženy pro robustní kvantové počítače, lze znovu použít tak, aby senzory vyzvedly slabší signály, aniž by byly utopeny kvantovým šumem.
Tým Sydney implementoval snímací protokol pomocí malého vibračního pohybu zachyceného iontu – kvantového ekvivalentu kyvadla. Připravili ion v „stavech mřížky“, což je druh kvantového stavu původně vyvinutého pro kvantové výpočetní techniky korigované chyby. S tím ukázali, že pozice i hybnost lze měřit společně s přesností za „standardním kvantovým limitem“ – nejlepší dosažitelné pomocí pouze klasických senzorů.
„Nepokošili jsme Heisenbergův princip. Náš protokol funguje zcela v rámci kvantové mechaniky,“ řekl Dr. Ben Baragiola, spoluautor RMIT. „Schéma je optimalizováno pro malé signály, kde jemných detailů záleží více než na hrubých.
Proč na tom záleží
Schopnost detekovat extrémně malé změny je důležitá napříč vědou a technologií. Ultra-přesné kvantové senzory by mohly zaostřit navigaci v prostředích, kde GPS nefunguje (jako jsou ponorky, podzemí nebo kosmické lety); zlepšit biologické a lékařské zobrazování; monitorovat materiály a gravitační systémy; nebo sonda základní fyzika.
Přestože je experiment stále v laboratorní fázi, prokazuje nový rámec pro budoucí technologie snímání zaměřené na měření drobných signálů. Spíše než nahrazení stávajících přístupů přidá doplňkový nástroj do souboru nástrojů pro snímání kvantu.
„Stejně jako atomové hodiny transformovaly navigaci a telekomunikace, senzory s kvantovou zvýšenou s extrémní citlivostí by mohly umožnit zcela nová průmyslová odvětví,“ řekl Dr. Valahu.
Úsilí o spolupráci
Tento projekt United Experimentalisté na University of Sydney s teoretiky na RMIT, University of Melbourne, Macquarie University a The University of Bristol v Británii. Ukazuje, jak může spolupráce napříč institucemi a hranicemi urychlit pokrok a posílit australskou kvantovou výzkumnou komunitu.
„Tato práce zdůrazňuje sílu spolupráce a mezinárodní spojení, která řídí objev,“ řekl Dr. Tan.
Reference: „Multiparametrové snímání v jednom režimu v jednom režimu“ 24. září 2025. Pokroky vědy.
Dva: 10.1126/sciadv.adw9757
Financování: Australská rada pro výzkum, Office of Naval Research Global, Úřad pro výzkum americké armády pro fyzické vědy, Air Force Office of Scientific Research, Lockheed Martin, Evropská komise, Sydney Quantum Academy, H. a A. Harley
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
