Сегодня мы можем измерять положение объекта с беспрецедентной точностью, но квантовая физика и принцип неопределенности Гейзенберга накладывают фундаментальные ограничения на нашу способность к измерениям. Шум, возникающий в результате квантовой природы полей, используемых для этих измерений, накладывает так называемый «стандартный квантовый предел». Этот же предел влияет как на сверхчувствительные измерения в устройствах нанометрового масштаба, так и на детектор гравитационных волн километрового масштаба в LIGO.
Из-за этого неприятного фонового шума мы никогда не сможем узнать точное местоположение объекта, но недавнее исследование предлагает решение для перенаправления части этого шума в сторону от измерения.Результаты были опубликованы в номере журнала Science Express от 15 мая.«Если вы хотите знать, где что-то находится, вы должны что-то разбросать по нему», — объясняет профессор прикладной физики Кейт Шваб, руководивший исследованием. «Например, если вы направляете свет на объект, рассеивающиеся фотоны предоставляют информацию об объекте. Но не все фотоны ударяются и рассеиваются одновременно, а случайный характер рассеяния создает квантовые флуктуации» — то есть шум. «Если вы излучаете больше света, у вас повышается чувствительность, но у вас также больше шума.
Здесь мы искали способ преодолеть принцип неопределенности — увеличить чувствительность, но не шум».Шваб и его коллеги начали с разработки способа фактического обнаружения шума, производимого при рассеянии микроволн — электромагнитного излучения, длина волны которого превышает длину волны видимого света.
Для этого они доставляли микроволны определенной частоты в сверхпроводящую электронную схему или резонатор, который вибрирует с частотой 5 гигагерц — или 5 миллиардов раз в секунду. Затем электронная схема была подключена к механическому устройству, состоящему из двух металлических пластин, которые вибрируют с частотой около 4 мегагерц, или 4 миллиона раз в секунду. Исследователи заметили, что квантовый шум микроволнового поля из-за воздействия отдельных фотонов заставлял механическое устройство случайным образом сотрясаться с амплитудой 10-15 метров, примерно диаметром с протон.
«Наше механическое устройство представляет собой крошечный квадрат из алюминия — всего 40 микрон в длину, или около диаметра волоса. Мы думаем о квантовой механике как о хорошем описании поведения атомов, электронов, протонов и всего остального, но обычно Вы не думаете, что такого рода квантовые эффекты проявляются на макроскопических объектах », — говорит Шваб. «Это физическое проявление принципа неопределенности, наблюдаемое в единичных фотонах, ударяющих о какой-то макроскопический объект».Когда у исследователей был надежный механизм для обнаружения сил, создаваемых квантовыми колебаниями микроволн на макроскопическом объекте, они могли модифицировать свой электронный резонатор, механическое устройство и математический подход, чтобы исключить шум положения и движения вибрирующих металлических пластин. от их измерения.Эксперимент показывает, что а) шум присутствует и может быть обнаружен детектором, и б) он может быть перенесен в какое-либо место, которое не повлияет на измерение. «Это способ обмануть принцип неопределенности, чтобы можно было увеличить чувствительность детектора без увеличения шума», — говорит Шваб.
Хотя этот эксперимент в основном является фундаментальным исследованием квантовой природы микроволн в механических устройствах, Шваб говорит, что это направление исследований может однажды привести к наблюдению квантово-механических эффектов в гораздо более крупных механических структурах. И это, отмечает он, может позволить продемонстрировать странные квантово-механические свойства, такие как суперпозиция и запутанность, в больших объектах — например, позволить макроскопическому объекту существовать одновременно в двух местах.
«Субатомные частицы действуют квантовым образом — они имеют волнообразную природу — и атомы, и целые молекулы могут действовать таким же образом, поскольку они представляют собой совокупность атомов», — говорит Шваб. «Итак, возникает вопрос: можете ли вы заставить все более и более крупные объекты вести себя такими странными волнообразными способами? Почему нет?
Прямо сейчас мы просто пытаемся выяснить, где находится граница квантовой физики, но вы никогда не знаете».