Квантовая отрицательность может привести к сверхточным измерениям

Ученые обнаружили, что физическое свойство, называемое «квантовой отрицательностью», может быть использовано для более точных измерений всего — от молекулярных расстояний до гравитационных волн.

Исследователи из Кембриджского университета, Гарварда и Массачусетского технологического института показали, что квантовые частицы могут нести неограниченное количество информации о вещах, с которыми они взаимодействовали. Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, могут позволить проводить гораздо более точные измерения и использовать новые технологии, такие как сверхточные микроскопы и квантовые компьютеры.

Метрология — это наука об оценках и измерениях. Точно так же, как квантовые компьютеры, как ожидается, революционизируют способ выполнения сложных вычислений, квантовая метрология, используя странное поведение субатомных частиц, может революционизировать способ измерения вещей.

Мы привыкли иметь дело с вероятностями, которые варьируются от 0% (никогда не случается) до 100% (всегда случается). Однако для объяснения результатов квантового мира понятие вероятности необходимо расширить, включив в него так называемую квази-вероятность, которая может быть отрицательной.

Эта квази-вероятность позволяет объяснить квантовые концепции, такие как «жуткое действие на расстоянии» Эйнштейна и корпускулярно-волновой дуализм на интуитивном математическом языке. Например, вероятность того, что атом находится в определенном положении и движется с определенной скоростью, может быть отрицательным числом, например -5%.

Эксперимент, объяснение которого требует отрицательных вероятностей, как говорят, обладает «квантовой отрицательностью». Теперь ученые доказали, что эта квантовая отрицательность может помочь проводить более точные измерения.

Вся метрология нуждается в зондах, которые могут быть простыми весами или термометрами. Однако в современной метрологии зонды представляют собой квантовые частицы, которыми можно управлять на субатомном уровне. Эти квантовые частицы созданы для взаимодействия с измеряемой вещью. Затем частицы анализируются детекторным устройством.

Теоретически, чем больше число зондирующих частиц, тем больше информации будет доступно устройству обнаружения. Но на практике существует ограничение на скорость, с которой детекторные устройства могут анализировать частицы.

То же самое верно и в повседневной жизни: надев солнцезащитные очки можно отфильтровать лишний свет и улучшить зрение. Но есть предел тому, насколько фильтрация может улучшить наше зрение — наличие слишком темных солнцезащитных очков вредно.

«Мы адаптировали инструменты из стандартной теории информации к квази-вероятностям и показали, что фильтрация квантовых частиц может конденсировать информацию из миллиона частиц в одну», — говорят ученые.

-Это означает, что устройства обнаружения могут работать с идеальной скоростью потока, получая информацию, соответствующую гораздо более высоким скоростям. Это запрещено в соответствии с нормальной теорией вероятности, но квантовая отрицательность делает это возможным.»

Экспериментальная группа в Университете Торонто уже приступила к разработке технологии использования этих новых теоретических результатов. Их цель — создать квантовое устройство, которое использует однофотонный лазерный луч для обеспечения невероятно точных измерений оптических компонентов. Такие измерения имеют решающее значение для создания передовых новых технологий, таких как фотонные квантовые компьютеры.

Квантовая метрология может улучшить измерения таких вещей, как расстояния, углы, температуры и магнитные поля. Эти более точные измерения могут привести к более совершенным и быстрым технологиям, а также лучшим ресурсам для исследования фундаментальной физики и улучшения нашего понимания Вселенной.

Например, многие технологии полагаются на точное выравнивание компонентов или способность чувствовать небольшие изменения в электрических или магнитных полях. Более высокая точность в выравнивании зеркал может позволить получить более точные микроскопы или телескопы, а лучшие способы измерения магнитного поля Земли могут привести к улучшению навигационных инструментов.

Квантовая метрология в настоящее время используется для повышения точности обнаружения гравитационных волн. Но для большинства применений квантовая метрология была слишком дорогой и недостижимой с помощью современных технологий. Недавно опубликованные результаты предлагают более дешевый способ проведения квантовой метрологии.

«Квантовая физика совершенствует метрологию, вычислительную технику, криптографию и многое другое, но доказать это достаточно трудно. Мы показали, что квантовая физика позволяет нам извлекать из экспериментов больше информации, чем мы могли бы извлечь из классической физики. Ключом к доказательству является квантовая версия вероятностей — математические объекты, которые похожи на вероятности, но могут принимать отрицательные и нереальные значения», — говорят исследователи.

Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-17559-w