Fyzici změřili hybnost i polohu částice bez porušení Heisenbergovy ikonické nejistoty.
V Kvantová mechanikaČástice nemají pevné vlastnosti tak, jak to dělají každodenní objekty. Místo toho existují v zákalu možností, dokud nejsou měřeny. A když jsou měřeny určité vlastnosti, jiné se stanou nejistými. Podle Heisenbergovy nejistoty není možné znát přesnou polohu obou částic a jeho přesná hybnost současně.
„Nemůžete porušit Heisenbergovu princip nejistoty,“ Christophe ValahuLIVE Science řekl fyzik na University of Sydney a vedoucí autor studie. „To, co děláme, je posunout nejistotu. Vyhodíme některé informace, které nepotřebujeme, takže můžeme měřit, o co se staráme, s mnohem větší přesností.“
Trik pro Valahu a jeho tým byl namísto měření hybnosti a polohy přímo měřit modulární hybnost a modulární polohu – které zachycují relativní posuny těchto množství v pevném měřítku, než jejich absolutní hodnoty.
„Představte si, že máte pravítko. Pokud právě měříte polohu něčeho, přečetli byste si, kolik centimetrů v tom, a pak kolik milimetrů kolem toho.“ Řekl Valahu. „Ale v modulárním měření je ti, ve kterém centimetru jste.
Valahu řekl, že tento druh měření je důležitý ve scénářích kvantového snímání, protože cílem je často detekovat nepatrné posuny způsobené slabými silami nebo poli. Kvantové snímání se používá k vyzvednutí signálů, které běžné nástroje často chybí. Tato úroveň přesnosti by mohla jednoho dne učinit naše navigační nástroje spolehlivější a naše hodiny ještě přesnější.
V laboratoři se tým obrátil na jediný uvězněný ion – osamělý nabitý atom držený na místě elektromagnetická pole. Používali lasery naladěné k přivedení iontu do kvantového vzoru zvaného mřížkový stav.
Ve stavu mřížky se funkce iontů vlny rozdělí do řady rovnoměrně rozmístěných vrcholů, jako jsou značky na pravítku. Nejistota je soustředěna v prostorech mezi značkami. Vědci použili vrcholy jako referenční body: Když malá síla vrhne ion, celý vzor mřížky se mírně posune. Jako změna polohy se objevuje malý boční posun vrcholů, zatímco sklon ve vzoru mřížky odráží změnu hybnosti. Protože měření záleží pouze na směnách vzhledem k vrcholům, lze současně přečíst změny polohy i hybnosti.
To je místo, kde přichází síla. Ve fyzice je síla to, co způsobuje změnu hybnosti v průběhu času a polohy k posunu. Sledováním toho, jak se vzorec mřížky pohyboval, vědci měřili malý tlak působící na ion.
Síla zhruba 10 yoctonewtons (10-23 Newtons) není světový rekord. „Lidé to porazili asi o dva řády, ale používají obrovské krystaly ve velmi velkých a nákladných experimentech.“ Valahu řekl Live Science. „Důvod, proč jsme nadšeni, je to, že můžeme získat opravdu dobré citlivosti pomocí jediného atomu v pasti, který není tak složitý a je poněkud škálovatelný.“
I když dosažená síla není nejnižší, dokazuje, že vědci mohou získat velmi extrémní citlivost z velmi základních nastavení. Schopnost cítit malé změny má široké důsledky napříč vědou a technologiích. Ultra-přesné kvantové senzory by mohly zlepšit navigaci v místech, kde GPS nedosáhne, jako je pod voda, pod zemí nebo ve vesmíru. Mohlo by to také zvýšit biologické a lékařské zobrazování.
„Stejně jako atomové hodiny revolucionizované navigace a telekomunikace, senzory s kvantovou zvýšenou extrémní citlivostí by mohly otevřít dveře zcela novým průmyslovým odvětvím,“ řekl Valahu v a prohlášení.
