«Квантовая отрицательность» поможет в разработке сверхточных измерительных приборов — Naked Science
9 минут
Денис Гордеев

«Квантовая отрицательность» поможет в разработке сверхточных измерительных приборов

4.3

«Это очень нелогично и действительно удивительно!» — говорят ученые о своем открытии.

квантовая метрология
Это открытие поможет как практикам, так и теоретикам / Pioneering Minds

Ученые из Гарвардского и Кембриджского университетов вместе со своими коллегами из Массачусетского технического института и Университета Торонто выяснили, что физическое свойство, называемое «квантовой отрицательностью», может использоваться для более точных измерений. «Измерений чего?» — спросят читатели. Да буквально всего, говорят ученые: от молекулярных расстояний до гравитационных волн.

Статью о результатах своих исследований ученые опубликовали в журнале Nature Communications. Использование нового явления может революционизировать квантовую метрологию — науку, которая занимается проблемами измерений различных величин на основе квантовых эффектов.

Большинство людей, знакомых с понятием вероятности, привыкли, что эта величина варьируется от 0 до 100% — или же от 0 до 1. Однако для объяснения результатов из квантового мира понятие вероятности приходится расширить, включая в него так называемую квазивероятность, которая может быть отрицательной.

Например, вероятность того, что атом находится в определенной позиции и движется с определенной скоростью, может равняться -5%. А эксперимент, объяснение которого требует введения отрицательных вероятностей, обладает «квантовой отрицательностью».

В свою очередь, основной инструмент метрологии — датчики. Чаще всего это обычные приборы, встречающиеся в быту, вроде весов и термометров. Но в квантовой метрологии все по-другому: здесь роль датчиков играют квантовые частицы, которыми можно управлять на субатомном уровне и которые можно обнаруживать при помощи специальных детекторов.

Иллюстрация принципа «квантовой отрицательности» в метрологии. Квантовый лазер облучает молекулу, которую необходимо измерить. Затем свет проходит через квантовый фильтр, на котором вся полезная информация конденсируется в слабом луче, отражаемом на детектор / H. Lepage

Теоретически чем больше зондирующих квантовых частиц доступно для проведения измерений, тем больше информации сможет в итоге получить детектор. Но на практике есть ограничение на скорость, с которой детекторы способны анализировать частицы. Это можно проиллюстрировать примером из повседневной жизни: надев солнцезащитные очки, мы отфильтровываем лишний свет и лучше видим, но чересчур темные стекла вредят глазам и не позволяют нормально рассмотреть окружающее пространство.

«Мы адаптировали инструменты из стандартной теории информации к квазивероятностям и показали, что фильтрация квантовых частиц может помочь собрать информацию миллиона частиц в одну, — говорит ведущий автор работы доктор Дэвид Арвидссон-Шукур. — Это означает, что устройства обнаружения могут работать с идеальной скоростью притока частиц, получая информацию, соответствующую более высоким скоростям обработки. <…> Квантовая отрицательность делает это возможным».

Экспериментальная группа в Университете Торонто уже начала создавать технологии для практического использования новых теоретических результатов. Целью ученых станет создание квантового устройства, которое использует однофотонный лазерный свет для обеспечения невероятно точных измерений оптических компонентов. Эти измерения имеют решающее значение для создания передовых устройств, таких как фотонные квантовые компьютеры.

Фактически такой квантовый подход позволяет извлекать больше информации из экспериментов, чем методы и принципы классической физики. «Ученые часто говорят, что “не бывает бесплатных обедов”. Это означает, что вы ничего не сможете получить, если не хотите платить вычислительную цену, — говорит соавтор исследования Александр Лазек. — Однако в квантовой метрологии эту цену можно сделать сколь угодно низкой. Это очень нелогично и действительно удивительно!»

Более точные измерения в квантовой метрологии могут не только привести к созданию новых совершенных технологий, но и дать толчок исследованиям в области фундаментальной физики и Вселенной. Более высокая точность выравнивания зеркал и линз даст более точные микроскопы или телескопы, а улучшенные способы измерения магнитного поля Земли приведут к созданию более совершенных навигационных инструментов.

Ранее мы писали о том, что один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 18:38
14 минут
Василий Парфенов

Новое масштабное журналистское расследование собрало воедино самые вопиющие факты коррупции, махинаций с официальной статистикой и игнорирования пандемии на государственном уровне.

Вчера, 11:17
4 минуты
Илья Ведмеденко

Истребитель F-15C Eagle Военно-воздушных сил США уничтожил цель ракетой AIM-120 AMRAAM на максимальной дистанции из всех известных.

13 апреля
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно представленным данным, строительству российской орбитальной станции дали зеленый свет. Практическая реализация программы должна начаться вскоре.

13 апреля
5 минут
Ольга Иванова

Ученые из Австралии узнали, на протяжении какого периода времени сохраняется эффект эйфории после употребления марихуаны. Это необходимо, например, для более эффективного применения лекарств на основе каннабиса или понимания того, сколько времени необходимо, чтобы сесть за руль.

13 апреля
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно представленным данным, строительству российской орбитальной станции дали зеленый свет. Практическая реализация программы должна начаться вскоре.

13 апреля
5 минут
Ольга Иванова

Хронический риносинусит, который связан с постоянной заложенностью носа и головными болями, как выяснили ученые, может вызывать и изменения в головном мозге.

17 марта
12 минут
Василий Парфенов

Продолжавшееся более пяти лет уголовное дело подошло к завершению: серийного сетевого сексуального маньяка осудили на 75 лет тюремного заключения. Чтобы поймать человека, растлившего 375 несовершеннолетних девушек, потребовалось пойти на беспрецедентные и этически спорные меры: создать вредоносное ПО и подсунуть злоумышленнику видеоловушку со встроенным вирусом.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: