Принцип невизначеності Гейзенберга, введений німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом у 1927 році, стверджує, що якщо одна характеристика квантової частинки може бути точно передбачена, то пов'язана характеристика стає менш певною.

Позиція та імпульс є найбільш часто згадуваними з цих пар, відомими як некомутаційні змінні. Можливість визначити, де знаходиться квантова частинка, ускладнює оцінку її руху, і навпаки.

Ця невизначеність ускладнює точні вимірювання слабших сигналів у фізиці – від детектора гравітаційних хвиль LIGO до атомних годин, які лежать в основі систем, таких як GPS.

Тепер дослідники з Університету Шаньсі в Китаї вважають, що знайшли фундаментальне рішення, яке полягає у погляді назад у минуле, а також вперед у майбутнє.

"Ми експериментально демонструємо одночасну оцінку некомутаційних змінних за межами межі невизначеності Гейзенберга та підтверджуємо результати за допомогою слабкого вимірювання," пишуть дослідники у попередній версії своєї статті, яка ще не пройшла рецензування.

Замість того, щоб робити прогноз на майбутнє для проведення вимірювання, дослідники вирішили протестувати альтернативний підхід: проводити вимірювання, використовуючи дані як до, так і після точки, яку потрібно виміряти.

Гіпотеза полягала в тому, що двостороння перспектива повинна зменшити деяку невизначеність в спостереженнях. Це було перевірено за допомогою 52 мільярдів атомів рубідію, зібраних у маленькій скляній камері, з лазером, що використовувався для вирівнювання їх спінів (магнітних властивостей).

Оскільки вирівнювання спінів змусило атоми поводитися як одна квантова система, імпульс і позицію якої можна було виміряти за допомогою другого лазера.

Використання показників як до, так і після покращило точність прогнозів системи на помірну величину – вони були приблизно на 20 відсотків точнішими, ніж дозволяє межа невизначеності Гейзенберга.

"Центральним елементом цього підходу є послідовне включення інформації про вимірювання з минулого та майбутнього для уточнення оцінки стану системи в даний момент," пишуть дослідники.

Вимірювання проводилися безперервно протягом 84 хвилин, і налаштування дозволило дослідникам одночасно вимірювати як позицію, так і імпульс. Звичайний компроміс між цими двома був полегшений.

Звичайно, очікування до того, як щось відбудеться, щоб виміряти це, означає, що ви обмежені в реальному моніторингу, але переваги нової техніки та більша точність можуть переважити будь-які недоліки.

"Це відкриває цікаві перспективи для подальших досліджень квантових вимірювань і для квантового підсиленого сенсингу, що поєднує стратегії траєкторії та заплутаності," пишуть дослідники.

У багатьох квантових системах – включаючи згадані раніше атомні годинники – ретроспективні показники є нормою, тому вчені не обов'язково сповільнять аналіз, використовуючи новий підхід.

Це означає, що ми можемо очікувати більш точних квантових сенсорів у майбутньому і отримати більше інформації про майбутні результати квантових досліджень, тепер, коли ми знаємо, як статус системи до і після може працювати в тандемі.

Дослідники все ще прагнуть покращити експериментальну установку, використовуючи більш точні інструменти та більш точні показники. Додавання концепції квантової заплутаності може бути одним із шляхів вперед.

Важливо, що межа невизначеності Гейзенберга все ще застосовується (що є хорошою новиною – вона лежить в основі багатьох фундаментальних фізичних теорій). Це дослідження показує, що принцип може бути обійдений до певної міри, працюючи з ймовірностями іншим способом.

"Протягом минулого століття ця основоположна теоретична структура не лише слугувала критично важливим компонентом у тлумаченні квантової механіки, але й революціонізувала наше концептуальне розуміння обмежень вимірювання на квантовому рівні," пишуть дослідники.

Дослідження ще не пройшло рецензування, але попередня версія доступна онлайн.