Физики утверждают, что обошли почти 100-летний квантовый предел с помощью взгляда в прошлое

Принцип неопределённости Гейзенберга, введённый немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году, вводит понятие определённой размытости в физике. Он гласит: если одну характеристику квантовой частицы можно предсказать с точностью, парная характеристика становится менее определённой. Положение и импульс — самые часто упоминаемые из этих пар, известных как некоммутирующие переменные. Возможность установить, где находится квантовая частица, затрудняет суждение о её движении, и наоборот.

Эта размытость затрудняет точные измерения слабых сигналов в физике — от гравитационно-волнового детектора LIGO до атомных часов, на которых держатся системы вроде GPS. Теперь исследователи под руководством команды из Шаньсийского университета в Китае считают, что нашли фундаментальный обходной путь, и он включает взгляд назад в прошлое, а также вперёд в будущее.

«Мы экспериментально демонстрируем одновременную оценку некоммутирующих переменных за пределами границы неопределённости Гейзенберга и проверяем результаты с помощью слабого измерения», — пишут исследователи в препринте статьи, которая ещё не прошла рецензирование.

Вместо того чтобы делать предсказание будущего для измерения, исследователи хотели проверить альтернативный подход: провести измерение, используя данные как до, так и после измеряемой точки. Гипотеза состояла в том, что двусторонняя перспектива должна убрать часть размытости в наблюдениях. Её проверили на 52 миллиардах атомов рубидия, собранных в небольшой стеклянной камере, с лазером для выравнивания их спинов.

Поскольку выравнивание спинов заставляло атомы вести себя как одна квантовая система, положение и импульс которой можно было затем измерить вторым лазером, использование показаний как до, так и после повысило точность предсказаний системы на скромную величину — примерно на 20% точнее, чем позволяет предел неопределённости Гейзенберга.

«Центральный ингредиент этого подхода — последовательное включение информации как прошлых, так и будущих измерений для уточнения вывода о состоянии системы в данный момент», — пишут исследователи. Измерения проводились непрерывно в течение 84 минут, и установка позволила измерить и положение, и импульс одновременно. Обычный компромисс между ними был смягчён.

Конечно, ожидание, пока что-то произойдёт, чтобы это измерить, ограничивает мониторинг в реальном времени, но преимущества новой техники и большая точность могут перевесить недостатки. «Это открывает интересные перспективы для дальнейших исследований квантовых измерений и для квантово-усиленного зондирования, сочетающего стратегии траектории и запутанности», — пишут исследователи.

Во многих квантовых системах — включая упомянутые атомные часы — ретроспективные показания и так являются нормой, так что учёным не обязательно замедлять анализ новым подходом. Это значит, что мы можем увидеть более точные квантовые датчики в будущем и получить больше понимания из будущих квантовых исследований, теперь когда мы знаем, как статус системы «до и после» может работать в тандеме.

Исследователи по-прежнему стремятся улучшить экспериментальную установку: более точные приборы и более точные показания. Добавление концепции квантовой запутанности может стать одним из путей вперёд.

Важно, что предел Гейзенберга на неопределённость квантовой системы по-прежнему действует (и это хорошая новость — он лежит в основе многих фундаментальных физических теорий). Что показывает это исследование, так это то, что принцип можно в некоторой степени обойти, вычисляя вероятности иным способом. «За прошедший век этот основополагающий теоретический каркас не только служил критическим компонентом интерпретации квантовой механики, но и произвёл революцию в нашем концептуальном понимании ограничений измерений на квантовом масштабе», — пишут исследователи.

Остаётся вопрос: если для большей точности нужно ждать данных «после», — где проходит граница между измерением и предсказанием, и не окажется ли, что квантовые датчики будущего будут не столько смотреть на систему, сколько восстанавливать её состояние по тому, что произошло раньше и позже?