Квантовая неопределенность определена

Физики нашли способ обойти проблему соотношения неопределенностей Гейзенберга

Физикам удалось отчасти победить фундаментальный принцип квантовой механики — соотношение неопределенностей Гейзенберга. Чтобы более точно определить и момент частицы, и ее местонахождение, ученые «сдавили» 40 000 атомов рубидия, сделав их квантовые состояния зависимыми.

Две великие физические теории двадцатого века – теория относительности и квантовая механика – имеют в своей основе запреты. Первая запрещает передвижение со сверхсветовой скоростью, вторая провозглашает принцип неопределенности, согласно которому нельзя с абсолютной точностью произвести одновременное измерение момента и местонахождения частицы: чем точнее вы определите ее место, тем неопределенней будет ваша информация о ее моменте, и наоборот.

Запреты раздражают, вызывают стремление их нарушить и, соответственно, будят мысль, а если запрет, как в данном случае, абсолютен, он становится вечным «будильником» мысли, вечным источником новых идей и новых возможностей.

Количество квантовой неопределенности поддается вычислению и часто изображается графически в виде круга, внутри которого находятся реальные координаты и реальный момент частицы, подвергнутой измерению. Изменить площадь этого круга невозможно, зато можно изменить саму форму области, и за последние десятилетия ученые научились превращать круг в эллипс или даже почти в прямую линию, обеспечивая точность измерения одного из этих двух параметров, жертвуя другим.

Эффект называется «сдавливанием». С его помощью можно «сдавливать» параметры фотонов и атомов, увеличивая точность определения одного из ключевых параметров, что бывает очень важно при измерениях, необходимых для увеличения точности атомных часов, магнитно-резонансных томографов, в ряде военных приложений и пр.

Физики из Технологического института Джорджии (США) под руководством профессора физики Майкла Чепмена научились «сдавливать» третий параметр – уже не для одной частицы, а для целой группы частиц. Называется этот параметр «нематический тензор», или столь же непонятно, но хотя бы покороче – квадруполь. Нематичность определяет степень выстраивания в массиве частиц, она важна при описании жидких кристаллов, экзотических магнитных материалов, а также некоторых высокотемпературных сверхпроводников. В данном случае она понадобилась для описания уникальной формы материи под названием «конденсат Бозе-Эйнштейна», где все атомы находятся в одном и том же квантовом состоянии. Результаты работы опубликованы в свежем выпуске журнала Nature Physics.

Что-то похожее ученые умеют делать уже лет 15, но только для системы атомов, которые могут находиться лишь в двух квантовых состояниях.

Они могут «сдавливать» суммарный угловой момент такой группы, то есть направление в ней результирующего магнитного поля. Бозе-конденсат, изучаемый группой Чепмена, где атомы могут иметь одно из трех квантовых состояний, а их суммарный спин равен нулю, такому «сдавливанию» до сих пор не поддавался.

Группе Чепмена удалось «сдавить» нематический тензор для группы из 40 000 атомов рубидия, сталкивая их между собой, заставляя некоторые из них обмениваться квантовыми состояниями, «запутывая» их, делая квантово зависимыми друг от друга. По словам Чепмена,

«запутывание создает сдавливание» и снижает неопределенность измерения.

Этот эффект может оказаться очень важным для точных магнитных измерений, необходимых, например, для квантовых компьютеров будущего, где информация будет запасаться в спинах атомов и их нематическом тензоре.

Следующим логическим шагом должен стать эксперимент, подтверждающий верность принципа «запутай и дави», иначе говоря, позволяющий измерить магнитное поле группы атомов в запутанном и незапутанном состояниях и сравнить точность этих измерений. Но здесь ученые натолкнулись на очень серьезное препятствие – их лаборатория «шумит».

Она шумит множеством устройств, создающих собственные магнитные поля, к ним относятся даже компьютерные мониторы. «Если бы у нас была магнитно бесшумная лаборатория, — говорит Чепмен, — мы могли бы провести такой эксперимент, но нынешнее магнитное окружение не позволяет нам это сделать».
Так или иначе, принцип «запутай и дави» провозглашен.

«Есть множество вещей, которые можно делать с помощью квантового запутывания, и повышение точности измерений — одно из них.

Мы не можем нарушить принцип неопределенности Гейзенберга, но, по крайней мере, мы можем манипулировать им».

— заключил Чепмен.