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.