Μια διεθνής ομάδα φυσικών βρήκε έναν τρόπο να «παρακάμψει» την Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg, η οποία υποστηρίζει ότι είναι αδύνατο να μετρηθεί ταυτόχρονα η θέση και η ορμή ενός σωματιδίου. Η εργασία της ομάδας αποκάλυψε μια μέθοδο ανακατανομής της κβαντικής αβεβαιότητας, έτσι ώστε μικρές αλλαγές στη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου να μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα με ακρίβεια πέρα από το κανονικό κβαντικό όριο — όλα αυτά χωρίς να παραβιάζεται η διάσημη αρχή αβεβαιότητας (ή απροσδιοριστίας) του Heisenberg.
Η ερευνητική ομάδα πίσω από αυτή τη σημαντική επιτυχία υποστηρίζει ότι τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να ανοίξουν νέους δρόμους έρευνας στην υπερ-ακριβή ανίχνευση σε επίπεδα που προηγουμένως θεωρούνταν απροσπέλαστα, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει την πλοήγηση στο βαθύ διάστημα, την ιατρική απεικόνιση και πιθανές στρατιωτικές εφαρμογές, όπως η υποβρύχια πλοήγηση.
Όταν ο Γερμανός φυσικός Werner Heisenberg διατύπωσε για πρώτη φορά την αρχή της αβεβαιότητας το 1927, η τεχνολογία για να ελεγχθεί η εγκυρότητά της βρισκόταν σε πρώιμο στάδιο. Από τότε, αρκετά πειράματα επιβεβαίωσαν την φαινομενική αδυναμία να μετρηθούν ταυτόχρονα δύο συγκεκριμένες ιδιότητες ενός σωματιδίου, όπως η ορμή και η θέση. Όσο πιο ακριβής είναι η μέτρηση μιας ιδιότητας, τόσο μικρότερη είναι η βεβαιότητα για την ιδιότητα που σχετίζεται με αυτήν.
Αποφασισμένοι να εξετάσουν αν μπορούσαν να βρουν έναν τρόπο να παρακάμψουν τον Heisenberg και να μετρήσουν με ακρίβεια την ορμή και τη θέση ενός σωματιδίου, μια ομάδα με επικεφαλής τον Δρ. Tingrei Tan τμήμα φυσικής και το ινστιτούτο Nano του πανεπιστημίου του Σίδνεϋ ανέπτυξε ένα ειδικό πείραμα για τον σκοπό αυτό. Σύμφωνα με ανακοίνωση που περιγράφει τη δουλειά της ομάδας, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα σύστημα σχεδιασμένο να παρακολουθεί την μικροσκοπική δονητική κατάσταση ενός παγιδευμένου ιόντος, μια διάταξη που οι ερευνητές περιέγραψαν ως «το κβαντικό ισοδύναμο ενός εκκρεμούς».
Στη συνέχεια, η ομάδα αξιοποίησε την προηγούμενη δουλειά του Δρ. Tan πάνω στην κβαντική υπολογιστική με διόρθωση σφαλμάτων για να προετοιμάσει το ιόν σε «καταστάσεις πλέγματος» (grid states). Με την ακριβή ρύθμιση της διάταξης, η ομάδα κατάφερε να δείξει με επιτυχία ότι η ορμή και η θέση του ιόντος μπορούσαν να μετρηθούν με επίπεδο ακρίβειας που περιέγραψαν ως πέρα από το «κανονικό κβαντικό όριο». Αυτό το όριο θεωρείται η καλύτερη επιτευχθείσα ακρίβεια χρησιμοποιώντας μόνο κλασικούς (μη κβαντικούς) αισθητήρες.
«Είναι μια ενδιαφέρουσα σύνδεση από την κβαντική υπολογιστική στην ανίχνευση», εξήγησε ένας από τους συγγραφείς, ο καθηγητής Nicolas Menicucci από το Πανεπιστήμιο RMIT. «Ιδέες που αρχικά σχεδιάστηκαν για ανθεκτικούς κβαντικούς υπολογιστές μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν ώστε οι αισθητήρες να ανιχνεύουν ασθενέστερα σήματα χωρίς να καλύπτονται από κβαντικό θόρυβο».
Αν και, η υπέρβαση του καθιερωμένου κβαντικού ορίου, φαίνεται να παραβιάζει άμεσα στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, ο Δρ. Ben Baragiola, ένας ακόμη συγγραφέας της μελέτης, από το RMIT, εξήγησε πως, δεν έχουν παραβιάσει κανέναν από τους νόμους της φυσικής: απλώς βρήκαν έναν τρόπο να τους παρακάμψουν. «Δεν έχουμε παραβιάσει την αρχή του Heisenberg», εξήγησε. «Το πρωτόκολλό μας λειτουργεί πλήρως μέσα στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής».
Για να εξηγήσει την παράκαμψη της αρχής του Heisenberg, ο Δρ. Tan, είπε να φανταστεί κανείς την αβεβαιότητα σαν τον αέρα μέσα σε ένα μπαλόνι. «Δεν μπορείς να τον αφαιρέσεις χωρίς να σκάσει το μπαλόνι, αλλά μπορείς να τον συμπιέσεις για να μετακινήσεις το περιεχόμενό του. Αυτό είναι ουσιαστικά αυτό που κάναμε. Σπρώχνουμε την αναπόφευκτη κβαντική αβεβαιότητα σε σημεία που δεν μας ενδιαφέρουν (μεγάλες, αδρές αλλαγές στη θέση και την ορμή), ώστε οι λεπτομέρειες που μας ενδιαφέρουν να μετρηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια».
Τα ρολόγια με τους μονούς δείκτες
Μία άλλη αναλογία που πρότεινε η ερευνητική ομάδα, περιλαμβάνει ένα ζευγάρι από ρολόγια. Σε αντίθεση με τα συνηθισμένα ρολόγια, με τους δύο δείκτες, το ένα από τα ρολόγια έχει μόνο έναν δείκτη – για τα λεπτά, ενώ το άλλο, έχει έναν μόνο τον δείκτη για την ώρα. Το ρολόι με τον δείκτη για την ώρα, προσφέρει μια γενική ένδειξη της ώρας, αλλά η μέτρηση των λεπτών είναι λιγότερο ακριβής. Αντίθετα, το ρολόι με μόνο τον λεπτοδείκτη δίνει μια πιο ακριβή αλλά λιγότερο συγκεκριμένη μέτρηση, ενώ η «γενική εικόνα» χάνεται
Η ομάδα σημειώνει ότι αυτή η ικανότητα μετρήσεων σε μονάδες «θυσιάζει κάποια συνολική πληροφορία σε αντάλλαγμα για πολύ πιο λεπτομερή δεδομένα».
Ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, ο Δρ. Christophe Valahu από την ομάδα του εργαστηρίου Κβαντικού Ελέγχου στο πανεπιστήμιο του Σίνδεϋ, είπε πως, η εφαρμογή της στρατηγικής αυτής στα κβαντικά συστήματα, όπως η πειραματική τους διάταξη, τους έδωσε τη δυνατότητα του υπολογισμού των αλλαγών στην ορμή και τη θέση ενός σωματιδίου με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. «Θυσιάζουμε τη συνολική πληροφορία, αλλά κερδίζουμε τη δυνατότητα να ανιχνεύουμε απειροελάχιστες μεταβολές με πρωτοφανή ευαισθησία», εξήγησε ο ερευνητής.
Μπορεί το πείραμα που παρακάμπτει τους νόμους της φυσικής να βρίσκεται ακόμη στο στάδιο του εργαστηρίου, ωστόσο η ομάδα δήλωσε πως, η βιωσιμότητα της προσέγγισης για τη μέτρηση εξαιρετικά μικρών σημάτων, προσφέροντας έτσι στους επιστήμονες «ένα συμπληρωματικό εργαλείο στην εργαλειοθήκη της κβαντικής ανίχνευσης, και όχι αντικατάσταση των τεχνολογιών που υπάρχουν».
Πέρα από τις καθαρά επιστημονικές εφαρμογές, η ομάδα πρότεινε αρκετές υπάρχουσες και θεωρητικές τεχνολογίες που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από υπερ-ακριβείς κβαντικούς αισθητήρες οι οποίοι παρακάμπτουν την αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg. Οι δυνατότητες περιλαμβάνουν βελτιωμένη πλοήγηση σε περιβάλλοντα χωρίς GPS, όπως υπόγειες περιοχές, υποβρύχια και διαστημικές αποστολές, καθώς και πιθανές νέες εξελίξεις στη βιολογική και ιατρική απεικόνιση, την παρακολούθηση υλικών και την ανάλυση πολύπλοκων βαρυτικών συστημάτων.
«Όπως τα ατομικά ρολόγια μετέτρεψαν την πλοήγηση και τις τηλεπικοινωνίες, έτσι και οι κβαντικά ενισχυμένοι αισθητήρες με ακραία ευαισθησία θα μπορούσαν να ανοίξουν τον δρόμο για εντελώς νέες βιομηχανίες», δήλωσε ο Δρ. Valahu.
Η νέα μελέτη, με τίτλο «Quantum-enhanced multi-parameter sensing in a single mode», δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Science Advances.
