Фізики обійшли принцип невизначеності у вимірюванні властивостей квантових частинок

Фізики Сіднейського університету показали спосіб отримати точніші вимірювання у системах, що підкоряються законам квантової механіки, де зазвичай на заваді стає принцип невизначеності Гайзенберґа. Він стверджує, що не можна одночасно отримати значення деяких властивостей частинки з довільною точністю: збільшення точності у вимірюванні одного параметра неодмінно призводить до збільшення похибки в іншому. Якщо ж цей принцип вдасться обійти, то це відкриває шлях до більш чутливих сенсорів для навігації, медицини та фундаментальних досліджень. Результати дослідження команда опублікувала в журналі Science Advances.

Фізики обійшли принцип невизначеності у вимірюванні властивостей квантових частинок. Vink Fan

Оновлено 07.10.2025 о 16:15: У попередньому варіанті новини ми помилилися в описі методу, завдяки якому науковці обійшли принцип невизначеності Гайзенберґа. Уточнили цей опис, а також додали практичне значення відкриття. Перепрошуємо в наших читачів!

Як науковці подолали принцип невизначеності Гайзенберґа?

Хоч принцип невизначеності Гайзенберґа є фундаментальним, його прояв є не вадою вимірювальних приладів, а радше властивістю квантового середовища. Водночас у науковців часто виникає потреба одночасно знати два параметри частинок, наприклад, імпульс і положення, щоб розуміти, що відбувається у квантовій системі в конкретний проміжок часу. Тому дослідники запропонували вимірювати не абсолютні положення й імпульс частинки, а їхні модульні значення, тобто відносні зсуви всередині фіксованої шкали. Цю шкалу створили штучно, зробивши рух іона періодичним, ніби розміченим рівними поділками. Для цього дослідники використали поодинокий іон ітербію-171 у пастці Пола й керованими лазерними імпульсами збуджували та керували його коливальним рухом.

Рух іона підготували у так званому ґратковому стані, тож хвильова функція, яка описує його рух, мала рівномірний гребінець піків. Таким чином, не можна було чітко сказати, на якому з піків перебуває іон, проте стало можливим дуже точно відстежити найменші зміщення самої ґратки, а разом з цим й одночасно зчитати зміни положення й імпульсу частинки. Результати показали виграш до близько 5,1 децибела для окремого зсуву (позиції або імпульсу) відносно одночасної стандартної квантової межі — граничної точності, яку дозволяє принцип невизначеності Гайзенберґа. А за сукупною оцінкою невизначеність була приблизно на 2,6 децибела нижчою за стандартну квантову межу.

Яке значення це має для науки?

У багатьох застосуваннях сенсорам важливо вловити не абсолютне значення, а крихітну зміну сигналу. Новий підхід істотно підсилює чутливість саме до таких малих змін і не вимагає важкої подальшої обробки. Це відкриває шлях до компактніших і точніших квантових магнітометрів, інерціальних датчиків для навігації без GPS, інструментів біомедичної візуалізації, а також експериментів у фундаментальній фізиці, де потрібні надточні вимірювання слабких сигналів. Наразі це лише лабораторна демонстрація і подальшими кроками будуть підвищення стійкості до шумів та інтеграція з реальними сенсорними пристроями.

Що ще досліджують у квантовій фізиці

⏳ За допомогою квантової заплутаності фізики розробили швидший і точніший атомний годинник.

📡 А явище квантової телепортації науковці продемонстрували у звичайному оптоволоконному кабелі.

🔦 Також в оптоволокні фізики змогли двічі впіймати фотон, не зруйнувавши його.