Fizicienii au reușit să măsoare simultan impulsul și poziția unei particule, respectând totodată principiul incertitudinii al lui Heisenberg, unul dintre pilonii mecanicii cuantice.
În lumea cuantică, particulele nu dețin proprietăți fixe precum obiectele din viața de zi cu zi. Ele există mai degrabă într-o stare de posibilități neconcretizate până în momentul măsurătorii. Și când se măsoară anumite proprietăți, altele devin incerte. Conform principiului incertitudinii formulat de Heisenberg, este imposibil să cunoști simultan poziția exactă și impulsul exact al unei particule.
Totuși, un studiu recent a evidențiat o metodă ingenioasă de a ocoli această limitare. Un grup de fizicieni din Australia a demonstrat că, concentrându-se pe cantități diferite, numite observabile modulare, pot măsura simultan poziția și impulsul.
“Nu poți încălca principiul incertitudinii al lui Heisenberg,” a declarat Christophe Valahu, fizician la Universitatea din Sydney și autor principal al studiului, pentru Live Science. “Ceea ce facem noi este să redistribuim incertitudinea. Renunțăm la unele informații care nu ne sunt necesare, astfel încât să putem măsura ceea ce ne interesează cu o precizie mult mai mare.”
Secretul lui Valahu și al echipei sale a constat în măsurarea impulsului modular și a poziției modulare – care captează schimbările relative ale acestor cantități într-o scală fixă, nu valorile lor absolute.
“Imaginați-vă că aveți o riglă. Dacă măsurați doar poziția unui obiect, veți citi câți centimetri sunt și apoi câți milimetri în plus,” explică Valahu. “Dar într-o măsurătoare modulară, nu contează în ce centimetru vă aflați. Contează doar câți milimetri sunt de la ultima marcă. Ignorați locația generală și urmăriți doar schimbările mici.”
Valahu a menționat că acest tip de măsurătoare este important în scenariile de senzori cuantici, deoarece obiectivul este adesea detectarea schimbărilor minuscule cauzate de forțe sau câmpuri slabe. Senzorii cuantici sunt folosiți pentru a capta semnale pe care instrumentele obișnuite le-ar putea rata. Acest nivel de precizie ar putea face într-o zi instrumentele noastre de navigație mai fiabile și ceasurile noastre și mai precise.
În laborator, echipa a utilizat un ion capturat singur – un atom încărcat ținut în loc de câmpuri electromagnetice. Au folosit lasere reglate pentru a aduce ionul într-un model cuantic numit stare de grilă.
Într-o stare de grilă, funcția de undă a ionului este răspândită într-o serie de vârfuri spațiate uniform, asemenea marcajelor de pe o riglă. Incertitudinea este concentrată în spațiile dintre marcaje. Cercetătorii au folosit vârfurile ca puncte de referință: când o forță mică împinge ionul, întregul model de grilă se deplasează ușor lateral.