Жаңа әдіс бөлшектің орны мен импульсін бір уақытта стандартты кванттық шектен жоғары дәлдікпен өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл тәсіл Гейзенбергтің анықталмаушылық принципін айналып өтіп, бірегей жоғары дәлдіктегі датчиктер жасауға жол ашады.

Анықталмаушылық принципі және оның шектеулері

Кванттық механиканың негізінде Вернер Гейзенберг 1927 жылы тұжырымдаған анықталмаушылық принципі жатыр. Бұл принципке сәйкес, бөлшектің кейбір қасиеттерін, мысалы, оның орнын және импульсін бір мезгілде абсолютті дәлдікпен білу мүмкін емес. Орны неғұрлым дәл анықталса, импульсі соғұрлым белгісіз болады және керісінше. Бұл өлшеу құралдарының жетіспеушілігі емес, табиғаттың іргелі қасиеті.

Бұл шектеу аса сезімтал технологияларды дамытуда табиғи кедергі болып табылады: кез келген өлшеудің дәлдігі ақырында «стандартты кванттық шек» деп аталатын, классикалық әдістермен қол жеткізуге болатын ең жоғары нәтижеге тіреледі. Бұл шекті еңсеру үшін табиғат заңдарын бұзбай, оны «алдауға» мүмкіндік беретін жаңа стратегиялар қажет.

Өлшеулерге жаңа көзқарас

Австралия мен Ұлыбританияның физиктер тобы Science Advances журналында жарияланған инновациялық әдісті ұсынды. Ғалымдар Гейзенберг принципін бұзбай, оның шектеуін айналып өту үшін кванттық анықталмаушылықты қайта бөлудің жолын тапты. Олар бұл процесті шардағы ауамен салыстырды: ауаны шарды жармай алып тастау мүмкін емес, бірақ оны басқа бөлікке сығып, жылжытуға болады. Зерттеушілер анықталмаушылықты өздері үшін маңызды емес өлшеу аймақтарына «ығыстырып», өздеріне қажет ұсақ өзгерістерді жоғары дәлдікпен тіркей алды.

Эксперименттік жүзеге асыру

Экспериментте бір иттрий ионының тербелістері пайдаланылды, ол кванттық маятник рөлін атқарды. Лазерлердің көмегімен ион кванттық есептеулер саласынан алынған ерекше «торлы күйге» дайындалды. Орны мен импульсін тікелей өлшеудің орнына, ғалымдар олардың «модульдік» аналогтарын анықтады.

Бұл шексіз сызғышты сақинаға айналдырғанмен салыстыруға болады: нүктенің қай «оралымда» орналасқаны туралы ақпарат жоғалады, бірақ оның сақина ішіндегі орнын өте дәл анықтауға болады. Сол сияқты, зерттеушілер жүйе туралы жалпы ақпараттан бас тартып, ең ұсақ өзгерістерді өлшеуге назар аударды. Ең бастысы, бұл жаңа модульдік айнымалылар дұрыс баптағанда үйлесімді (коммутативті) болады, сондықтан оларға анықталмаушылық принципінің әдеттегі шектеуі жүрмейді және оларды бір уақытта өлшеуге мүмкіндік береді.

Визуализация және нәтижелер

Иттрий ионы классикалық емес «торлы күйге» дайындалды, ол графикте көптеген айқын шыңдары бар тұрақты тор түрінде көрінеді — әр шың орны мен импульстің белгілі бір модульдік мәніне сәйкес келеді. Ғалымдар ионды аздап ығыстырып, оның күйіндегі өзгерістерді өлшеді. Сыртқы әсер кезінде бүкіл тор өте кішкентай шамаға жылжиды, ал бұл ығысу лазерлік манипуляциялар арқылы тіркеліп, физиктер бір уақытта орны мен импульсіндегі өзгерісті стандартты кванттық шектен жоғары дәлдікпен анықтады.

Әдіс басқа үйлеспейтін шамалар жұбы — бөлшектер саны мен фазасы үшін де сыналды. Нәтижесінде өлшеу дәлдігі «орын — импульс» жұбы үшін стандартты кванттық шектен 5,5 децибелге, ал «сан — фаза» жұбы үшін 3,2 децибелге жоғары болды.

Перспективалар мен қолдану

Бұл жұмыс әзірге зертханалық деңгейде болғанымен, болашақ сенсорлық технологиялар үшін жаңа негіз ұсынады. Бұл тәсіл қолданыстағы әдістерді алмастырмайды, бірақ кванттық метрология құралдарының арсеналын кеңейтеді.

Осы принципке негізделген технологиялар GPS жоқ жағдайда навигацияға арналған аса сезімтал датчиктерді — мысалы, суасты қайықтарында немесе ғарышта, сондай-ақ медициналық визуализацияда, гравитациялық толқындарды зерттеуде және қараңғы материяны іздеуде қолданылуы мүмкін.