Φυσικοί στην Αυστραλία και τη Βρετανία αναδιαμόρφωσαν την κβαντική αβεβαιότητα για να παρακάμψουν τον περιορισμό που επιβάλλει η διάσημη αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg – ένα αποτέλεσμα που θα μπορούσε να στηρίξει μελλοντική τεχνολογία εξαιρετικά ακριβών αισθητήρων που θα χρησιμοποιούνται στην πλοήγηση, την ιατρική και την αστρονομία.
Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg
Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, που εισήχθη το 1927, αναφέρει ότι δεν μπορεί κανείς να γνωρίζει με απεριόριστη ακρίβεια ορισμένα ζεύγη ιδιοτήτων – όπως τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου – ταυτόχρονα. Με άλλα λόγια, υπάρχει πάντα ένας συμβιβασμός στην αβεβαιότητα: όσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση της μιας ιδιότητας, τόσο λιγότερη βεβαιότητα υπάρχει για την άλλη.
Παράκαμψη μέσω νέου εμπορίου αβεβαιότητας
Σε έρευνα που δημοσιεύθηκε σήμερα στο Science Advances, μια ομάδα υπό την ηγεσία του Dr. Tingrei Tan από το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ και τη Σχολή Φυσικής, έδειξε πώς μπορεί να κατασκευαστεί διαφορετικός συμβιβασμός ώστε να μετρηθούν με ακρίβεια η θέση και η ορμή ταυτόχρονα.
«Σκεφτείτε την αβεβαιότητα σαν αέρα σε ένα μπαλόνι», δήλωσε ο Dr. Tan, Sydney Horizon Fellow στη Σχολή Επιστημών. «Δεν μπορείτε να τον αφαιρέσετε χωρίς να σκάσει το μπαλόνι, αλλά μπορείτε να τον συμπιέσετε ώστε να μετακινηθεί. Αυτό ακριβώς κάναμε. Σπρώχνουμε την αναπόφευκτη κβαντική αβεβαιότητα σε περιοχές που δεν μας ενδιαφέρουν (μεγάλες, αδρές μεταβολές στη θέση και την ορμή), ώστε να μπορούμε να μετρήσουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια τις λεπτομέρειες που μας ενδιαφέρουν».
Παράδειγμα με ρολόι: λεπτομέρεια έναντι γενικής εικόνας
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν επίσης την αναλογία με ένα ρολόι για να εξηγήσουν τα ευρήματά τους. Σκεφτείτε ένα κανονικό ρολόι με δύο δείκτες: τον ωροδείκτη και τον λεπτοδείκτη. Τώρα φανταστείτε το ρολόι να έχει μόνο έναν δείκτη. Αν είναι ο ωροδείκτης, μπορείτε να πείτε ποια ώρα είναι και περίπου ποιο λεπτό, αλλά η ακρίβεια στα λεπτά θα είναι πολύ χαμηλή. Αν το ρολόι έχει μόνο τον λεπτοδείκτη, μπορείτε να διαβάσετε τα λεπτά με ακρίβεια, αλλά χάνετε τη γενική εικόνα – συγκεκριμένα, ποια ώρα είναι. Αυτή η «αρθρωτή» μέτρηση θυσιάζει ορισμένες γενικές πληροφορίες για να επιτευχθεί πολύ πιο λεπτομερής ανάλυση.
Εστίαση σε λεπτομέρειες μέσω παραίτησης από τη γενική πληροφορία
«Παραίτηση από τη γνώση για την ‘αδρή πληροφορία’ επιτρέπει στο πείραμά μας να εστιάσει στη λεπτομέρεια», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας Dr. Christophe Valahu από την Ομάδα Εργαστηρίου Κβαντικού Ελέγχου στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ. «Ανταλλάσσουμε τη συνολική πληροφορία με τη δυνατότητα ανίχνευσης πολύ μικρών αλλαγών με πρωτοφανή ευαισθησία».
Χρήση εργαλείων κβαντικής υπολογιστικής για νέο πρωτόκολλο μέτρησης
Η στρατηγική αυτή περιγράφηκε θεωρητικά το 2017. Η ομάδα του Dr. Tan πραγματοποίησε την πρώτη πειραματική εφαρμογή, χρησιμοποιώντας μια τεχνολογική προσέγγιση που είχαν αναπτύξει προηγουμένως για διορθωμένα σφάλματα σε κβαντικούς υπολογιστές, ένα αποτέλεσμα που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Nature Physics.
«Είναι ένας κομψός συνδυασμός κβαντικής υπολογιστικής και ανίχνευσης», δήλωσε ο συγγραφέας και θεωρητικός καθηγητής Nicolas Menicucci από το RMIT. «Ιδέες που σχεδιάστηκαν αρχικά για ισχυρούς κβαντικούς υπολογιστές μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν ώστε οι αισθητήρες να εντοπίζουν πιο αδύναμα σήματα χωρίς να τα πνίγει ο κβαντικός θόρυβος».
Παγιδευμένο ιόν σε «καταστάσεις πλέγματος»
Η ομάδα του Σίδνεϊ εφάρμοσε το πρωτόκολλο μέτρησης χρησιμοποιώντας τη μικροσκοπική δονητική κίνηση ενός παγιδευμένου ιόντος – το κβαντικό αντίστοιχο ενός εκκρεμούς. Προετοίμασαν το ιόν σε «καταστάσεις πλέγματος», ένα είδος κβαντικής κατάστασης που αναπτύχθηκε αρχικά για την κβαντική υπολογιστική με διόρθωση σφαλμάτων. Με αυτόν τον τρόπο, έδειξαν ότι η θέση και η ορμή μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα με ακρίβεια πέρα από το «πρότυπο κβαντικό όριο» – το καλύτερο δυνατό επίπεδο χρησιμοποιώντας μόνο κλασικούς αισθητήρες.
«Δεν παραβιάσαμε την αρχή του Heisenberg. Το πρωτόκολλό μας λειτουργεί πλήρως εντός των ορίων της κβαντικής μηχανικής», δήλωσε ο συγγραφέας Dr. Ben Baragiola από το RMIT. «Το σχήμα είναι βελτιστοποιημένο για μικρά σήματα, όπου οι λεπτομέρειες έχουν μεγαλύτερη σημασία από τις γενικές μεταβολές».
Γιατί έχει σημασία
Η δυνατότητα ανίχνευσης εξαιρετικά μικρών αλλαγών είναι σημαντική σε όλο το φάσμα της επιστήμης και της τεχνολογίας. Εξαιρετικά ακριβείς κβαντικοί αισθητήρες θα μπορούσαν να βελτιώσουν την πλοήγηση σε περιβάλλοντα όπου δεν λειτουργεί το GPS (όπως υποβρύχια, υπόγειες εγκαταστάσεις ή διαστημικά ταξίδια), να ενισχύσουν τη βιολογική και ιατρική απεικόνιση, να παρακολουθούν υλικά και βαρυτικά συστήματα ή να εξετάσουν θεμελιώδη φυσικά φαινόμενα.
Αν και ακόμα βρίσκεται σε εργαστηριακό στάδιο, το πείραμα αποδεικνύει ένα νέο πλαίσιο για μελλοντικές τεχνολογίες μέτρησης που στοχεύουν σε μικροσκοπικά σήματα. Αντί να αντικαθιστά τις υπάρχουσες προσεγγίσεις, προσθέτει ένα συμπληρωματικό εργαλείο στη συλλογή της κβαντικής ανίχνευσης.
«Όπως τα ατομικά ρολόγια μεταμόρφωσαν την πλοήγηση και τις τηλεπικοινωνίες, οι κβαντικά ενισχυμένοι αισθητήρες με ακραία ευαισθησία θα μπορούσαν να επιτρέψουν ολόκληρες νέες βιομηχανίες», δήλωσε ο Dr. Valahu.
Συνεργασία Αυστραλίας – Βρετανίας στην αιχμή της κβαντικής φυσικής
Το έργο αυτό ένωσε πειραματιστές από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ με θεωρητικούς από το RMIT, το Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, το Πανεπιστήμιο Macquarie και το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στη Βρετανία. Δείχνει πώς η συνεργασία μεταξύ ιδρυμάτων και συνόρων μπορεί να επιταχύνει την πρόοδο και να ενισχύσει την ερευνητική κοινότητα της
Αυστραλίας στον τομέα της κβαντικής τεχνολογίας.
«Αυτό το έργο αναδεικνύει τη δύναμη της συνεργασίας και των διεθνών συνδέσεων που οδηγούν στην ανακάλυψη», δήλωσε ο Dr. Tan.
More information: Quantum-enhanced multi-parameter sensing in a single mode, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw9757
Journal information: Science Advances , Nature Physics
Provided by University of Sydney
