Forskere undgår Heisenberg -usikkerhedsprincippet

ICFO -forskere rapporterer opdagelsen af ​​en ny teknik, der drastisk kan forbedre følsomheden af ​​instrumenter som f.eks. Magnetiske resonansimagere (MRI'er) og atomure. Studiet, udgivet i Natur , rapporterer en teknik til at omgå Heisenberg -usikkerhedsprincippet. Denne teknik skjuler kvanteusikkerhed i atomtræk, der ikke ses af instrumentet, giver forskerne mulighed for at foretage målinger med meget høj præcision.

State-of-the-art sensorer, såsom MR og atomure, er i stand til at foretage målinger med udsøgt præcision. MR bruges til at forestille væv dybt inde i menneskekroppen og fortæller os, om vi kan lide af en sygdom, mens atomure er ekstremt præcise tidtagere, der bruges til GPS, internetsynkronisering, og lang baseline interferometri inden for radio-astronomi. Man kan tro, at disse to instrumenter ikke har noget tilfælles, men de gør det:begge teknologier er baseret på præcis måling af atomets spin, den gyroskoplignende bevægelse af elektronerne og kernen. Ved MR, for eksempel, spinets pegevinkel giver information om, hvor i kroppen atomet er placeret, mens mængden af ​​spin (amplituden) bruges til at skelne forskellige slags væv. Ved at kombinere disse to oplysninger, MR kan lave et 3D -kort over vævene i kroppen.

Følsomheden af ​​denne form for måling blev længe antaget at være begrænset af Heisenbergs usikkerhedsprincip, som siger, at nøjagtig måling af en egenskab af et atom sætter en grænse for målepræcisionen, du kan opnå på en anden ejendom. For eksempel, hvis vi måler en elektrons position med høj præcision, Heisenbergs princip begrænser nøjagtigheden ved måling af dens momentum. Da de fleste atominstrumenter måler to egenskaber (spinamplitude og vinkel), princippet ser ud til at sige, at aflæsningerne altid vil indeholde en vis kvanteusikkerhed. Denne mangeårige forventning er nu blevet modbevist, imidlertid, af ICFO -forskere Dr. Giorgio Colangelo, Ferran Martin Ciurana, Lorena C. Bianchet og Dr. Robert J. Sewell, ledet af ICREA Prof. hos ICFO Morgan W. Mitchell. I deres artikel "Simultan sporing af spinvinkel og amplitude ud over klassiske grænser", udgivet i denne uge i Natur , de beskriver, hvordan et korrekt designet instrument næsten helt kan undgå kvanteusikkerhed.

Tricket er at indse, at spinet ikke har én, men to pegevinkler, en i nord-øst-syd-vest retning, og den anden for højden over horisonten. ICFO -teamet viste, hvordan man satte næsten al usikkerheden i den vinkel, der ikke måles af instrumentet. På denne måde overholdt de stadig Heisenbergs krav om usikkerhed, men skjulte usikkerheden, hvor det ikke kan skade. Som resultat, de var i stand til at opnå en måling af vinkelamplitude med en hidtil uset præcision, ikke generet af kvanteusikkerhed.

Prof. Mitchell bruger en solid analogi til at sige, at "Til forskere, usikkerhedsprincippet er meget frustrerende - vi vil gerne vide alt, men Heisenberg siger, at vi ikke kan. I dette tilfælde, selvom, vi fandt en måde at vide alt, hvad der betyder noget for os. Det er ligesom Rolling Stones -sangen:du kan ikke altid få, hvad du vil, men hvis du prøver nogle gange, finder du måske / du får, hvad du har brug for. "

I deres undersøgelse, ICFO -teamet afkølet en sky af atomer til et par mikroKelvin, anvendte et magnetfelt til at producere spin -bevægelse som ved MR, og oplyste skyen med en laser for at måle orienteringen af ​​atomspins. De observerede, at både spinvinklen og usikkerheden løbende kan overvåges med en følsomhed ud over de tidligere forventede grænser, selvom han stadig adlyder Heisenberg -princippet.

Hvad angår udfordringerne under forsøget, Colangelo kommenterer, at "i første omgang vi var nødt til at udvikle en teoretisk model for at se, om det, vi gerne ville gøre, virkelig var muligt. Derefter, ikke alle de teknologier, vi brugte til eksperimentet, eksisterede, da vi startede:blandt dem, vi skulle designe og udvikle en bestemt detektor, der var hurtig nok og med meget lav støj. Vi var også nødt til at forbedre meget den måde, vi "forberedte" atomerne på og finde en måde til effektivt at bruge alt det dynamiske område, vi havde i detektoren. Det var en kamp mod den mørke side af Quantum, men vi vandt det! "

Resultaterne af undersøgelsen er af allerstørste betydning, da denne nye teknik viser, at det er muligt at opnå endnu mere præcise målinger af atomspins, åbne en ny vej til udviklingen af ​​langt mere følsomme instrumenter og muliggøre registrering af signaler, såsom gravitationsbølger eller hjerneaktivitet, med enestående nøjagtighed.