«Квантовая отрицательность» поможет в разработке сверхточных измерительных приборов
«Это очень нелогично и действительно удивительно!» — говорят ученые о своем открытии.
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Во время эксперимента с новорожденными исследователи заметили, что мозг детей способен сопоставлять количество объектов в разных «каналах» восприятия. Он реагировал по-разному на информацию о количестве, которая подавалась через слух и изображения. Это говорит о том, что человек уже рождается с базовой системой «обработки численности», то есть мозг может оценивать количество элементов еще до того, как ребенок начинает говорить или осваивать счет.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Последние комментарии