29.07.2020
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, 14:13
Алиса Гаджиева

Мужчину и женщину похоронили 2500 лет назад и снабдили средством для разговора с Осирисом, необходимыми внутренними органами и большим числом слуг.

Вчера, 15:32
Ольга Иванова

Это касается не только жизни на Земле, но и, как предполагают исследователи из Франции и Великобритании, на других планетах.

Вчера, 20:24
Василий Парфенов

Ученые смогли измерить время «жизни» хиггсовского бозона с высокой точностью. Для этого пришлось разработать новый весьма хитрый метод проведения эксперимента и анализа данных. Зато теперь человечество обладает эмпирическим подтверждением важнейших элементов одной из главных теорий современной физики — Стандартной модели.

3 декабря
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

5 декабря
Василий Парфенов

Вопрос активности венерианских вулканов занимает планетологов давно. Если они до сих пор извергаются или делали это недавно по геологическим меркам, то недра второй планеты от Солнца по-прежнему активны. Однако получить достоверные данные подтверждающие или опровергающие активность вулканов на Венере до сих пор не получалось. Зато недавно ученые получили еще одно пусть и косвенное, но вполне надежное свидетельство «бурной жизни» геологических формирований на «сестре Земли».

3 декабря
Алиса Гаджиева

У погибшего почти 70 миллионов лет назад хищника была трудная жизнь: помимо обычного набора проблем, таких как схватки с сородичами, он страдал от зубной боли.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

3 декабря
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: