O echipă internaţională de fizicieni a demonstrat experimental o strategie pentru a modifica modul în care apare incertitudinea cuantică. Cercetarea arată că se poate sacrifica o parte din informaţia globală pentru a obţine detalii foarte fine despre mişcarea particulelor. Metoda foloseşte stări cuantice special alcătuite şi tehnici inspirate din calculul cuantic corectat. Rezultatele pot influenţa dezvoltarea unor senzori cuantici extrem de sensibili, utili în navigaţie fără GPS, imagistică medicală şi observaţii astronomice.
Cum au ocolit cercetătorii limita Heisenberg pentru măsurători precise
Principiul lui Heisenberg, enunţat în 1927, spune că două mărimi conjugate, precum poziţie şi impuls, nu pot fi cunoscute simultan cu precizie nelimitată. Practic, reducerea incertitudinii într‑una duce la creşterea ei în cealaltă. Echipa condusă de Dr. Tingrei Tan a aplicat o abordare teoretică propusă anterior, dar acum demonstrată experimental. Conceptul cheie este rearanjarea erorii: incertitudinea inevitabilă este mutată în salturi mari, mai puţin relevante, pentru ca detaliile mici să devină măsurabile. Această distribuire selectivă permite observarea modificărilor fine ale poziţiei şi impulsului. Cercetătorii au folosit stări cuantice denumite "grid states", dezvoltate iniţial pentru calculul cuantic cu corecţie de erori. Aceste stări au proprietăţi care le fac adecvate pentru protocolul de măsurare. În experiment s‑a folosit un ion prins, al cărui mod vibrational funcţionează asemănător unui pendul mic. Manipulând ionul şi pregătindu‑l în stări grid, echipa a reuşit să detecteze semnale mici cu o sensibilitate ce depăşeşte limita cuantică standard. Rezultatul nu contrazice legile mecanicii cuantice. În schimb, arată că se poate proiecta un compromis diferit între proprietăţi pentru a optimiza detectarea anumitor tipuri de semnale. Această strategie este orientată spre semnale slabe, unde detaliile mici sunt critice. Implementarea practică a beneficiat de instrumente şi idei din domeniul computerelor cuantice. Astfel, metode concepute pentru robusteţea qubit‑ilor au fost adaptate pentru măsurare, transformând soluţii teoretice în protocoale experimentale. Colaborarea între laboratorul de control cuantic şi teoreticieni a fost esenţială pentru succesul studiului.
Metoda experimentală şi implicaţii pentru aplicaţii reale
Protocolul demonstrat foloseşte vibraţia unui ion prins pentru a testa măsurători simultane. Echipa a pregătit starea cuantica a ionului în mod controlat, aplicând operaţii care generează structuri periodice în faza cuantică. Acele "grid states" permit maparea schimbărilor mici fără a pierde prea multă informaţie utilă. Tehnologia provine din cercetări privind calculul cuantic corectat, unde stabilitatea şi toleranţa la erori sunt cruciale. Transferul ideilor a arătat că instrumentele de control al qubit‑ilor pot fi folosite şi pentru senzori. În viitor, astfel de protocoale ar putea îmbunătăţi navigaţia subacvatică sau subterană, imagistica biomedicală de înaltă rezoluţie şi monitorizarea fenomenelor gravitaţionale. Rămân provocări tehnice pentru scalare şi pentru integrarea în dispozitive robuste. Totuşi, demonstraţia oferă o cale practică de a extinde capacităţile măsurătorilor cuantice din laborator spre aplicaţii industriale.
„Nu eliminăm incertitudinea; o redistribuim pentru a face observabile detaliile foarte mici.”
- Redistribuirea incertitudinii permite măsurători fine simultane.
- Metoda foloseşte stări grid dezvoltate pentru calcul cuantic.
- Aplicaţii potenţiale: navigaţie fără GPS, imagistică şi astronomie.
Concluzie: importanţa noii strategii pentru senzori şi cercetare
Experimentul nu răstoarnă principiile fundamentale ale mecanicii cuantice, ci oferă o nouă arhitectură pentru măsurători. Prin acceptarea pierderii de informaţie globală, se obţine o sensibilitate mai mare pentru variaţii mici. Această abordare completează arsenalul de tehnici pentru senzori cuantici, fără a le înlocui pe cele existente. Colaborarea între universităţi din Australia şi Regatul Unit a evidenţiat valoarea interdisciplinară a trecerii ideilor din calculul cuantic în domeniul senzorilor. Deşi sunt necesare etape suplimentare pentru aplicare practică, rezultatele deschid posibilităţi reale pentru instrumente de măsură care pot funcţiona acolo unde metodele convenţionale se opresc. Următorii paşi includ optimizarea robustă a stărilor şi testarea în condiţii mai apropiate de aplicaţii industriale.
Sursa: sciencedaily.com