Наша жизнь наполнена датчиками, собирающими всевозможную информацию, и некоторые из датчиков встроены в наши сотовые телефоны, которые, например, позволяет нам измерять расстояния, которые мы преодолеваем, когда идем на прогулку, и тем самым также подсчитывать, сколько калорий мы сожгли благодаря упражнениям. И большинству людей это кажется довольно простым.Однако при измерении структур атомов или светового излучения на квантовом уровне с помощью современных микроскопов или другого специального оборудования все становится немного сложнее из-за проблемы, которая в 1920-х годах полностью привлекала внимание Нильса Бора, а также его коллег.
Вернер Гейзенберг. И эта проблема, которая связана с тем фактом, что неточности неизбежно влияют на определенные измерения, проводимые на квантовом уровне, описана в принципе неопределенности Гейзенберга.В научном отчете, опубликованном в выпуске журнала Nature на этой неделе, исследователи NBI — на основе ряда экспериментов — демонстрируют, что принцип неопределенности Гейзенберга в некоторой степени можно нейтрализовать.
Раньше этого никогда не было, и результаты могут подтолкнуть к разработке нового измерительного оборудования, новых и более совершенных датчиков.Профессор Юджин Пользик, глава отдела квантовой оптики (QUANTOP) в Институте Нильса Бора, отвечал за исследования, которые включали создание вибрирующей мембраны и усовершенствованного атомного облака, заключенного в крошечную стеклянную клетку.Световой объект « пинает »
Принцип неопределенности Гейзенберга в основном гласит, что вы не можете одновременно знать точное положение и точную скорость объекта.
Это связано с тем фактом, что наблюдения, проводимые с помощью микроскопа, работающего с лазерным светом, неизбежно приводят к «пинкам» объекта. Это происходит потому, что свет представляет собой поток фотонов, которые при отражении от объекта дают ему случайные «толчки» — и в результате этих толчков объект начинает перемещаться случайным образом.Это явление известно как квантовое обратное действие (QBA) — и эти случайные движения ограничивают точность, с которой измерения могут проводиться на квантовом уровне.
Для проведения экспериментов в NBI профессор Ползик и его команда «молодых, увлеченных и очень опытных исследователей NBI» использовали «сделанную на заказ» мембрану в качестве объекта, наблюдаемого на квантовом уровне. Мембрана была построена доктором философии. Студенты Кристоффер Моллер и Егише Цатурян, а Родриго Томас и Георгиос Васикалис — Ph.D.
Студент и исследователь, соответственно, отвечали за атомные аспекты. Кроме того, Пользик полагался на других сотрудников NBI, доцента Михаила Балабаса, который построил крошечную стеклянную клетку для атомов, исследователя Эмиля Цойтена и профессора Альберта Шлиссера, которые в сотрудничестве с немецкими коллегами отвечали за значительное количество математических вычислений. потребовалось до того, как проект был готов к публикации в Nature.Атомная часть гибридного эксперимента. Атомы содержатся в микроячейке внутри магнитного экрана, видимого посередине.
Фотография: Ola J. JoensenВ течение последних десятилетий ученые пытались найти способы «обмануть» принцип неопределенности Гейзенберга.
Юджин Ползик и его коллеги пришли к идее реализации усовершенствованного атомного облака несколько лет назад — и это облако состоит из 100 миллионов атомов цезия, запертых в герметично закрытой клетке, стеклянной ячейке, объясняет профессор:"Ячейка всего 1 сантиметр в длину, 1/3 миллиметра в высоту и 1/3 миллиметра в ширину, и для того, чтобы атомы работали должным образом, внутренние стенки ячейки были покрыты парафином. Мембрана … за движениями которого мы следили на квантовом уровне — измеряет 0,5 миллиметра, что на самом деле является значительным размером с квантовой точки зрения ».
Идея стеклянной ячейки состоит в том, чтобы сознательно направить лазерный свет, используемый для изучения движений мембраны на квантовом уровне, через инкапсулированное атомное облако ДО того (курсив!) Свет достигает мембраны, объясняет Юджин Ползик: «В результате получается лазерный свет. -фотоны «пинают» объект — то есть мембрану — а также атомное облако, и эти «толчки», так сказать, нейтрализуются. Это означает, что больше нет никакого квантового обратного действия — и, следовательно, никаких ограничений, как насколько точно могут быть выполнены измерения на квантовом уровне ».Как это можно использовать?
«Например, при разработке новых и гораздо более совершенных типов датчиков для различного анализа движений, чем те типы, которые мы знаем сегодня по мобильным телефонам, GPS и геологическим исследованиям», — говорит профессор Юджин Пользик: «В общем, датчики, работающие на квантовом уровне, получают в наши дни уделяется много внимания. Одним из примеров является Flagship Quantum Technologies, обширная программа ЕС, которая также поддерживает этот тип исследований ».Тот факт, что действительно можно «обмануть» принцип неопределенности Гейзенберга, может также оказаться важным в отношении лучшего понимания гравитационных волн — волн в Космосе, движущихся со скоростью света.
В сентябре 2015 года американский LIGO-эксперимент смог опубликовать первые прямые регистрации и измерения гравитационных волн, возникающих в результате столкновения двух очень больших черных дыр.Однако оборудование, используемое LIGO, находится под влиянием Quantum Back Action, и новое исследование NBI может оказаться способным устранить эту проблему, говорит Юджин Ползик.