لقد قام الفيزيائيون بقياس زخم الجسيم وموضعه دون كسر مبدأ عدم اليقين الشهير لهايزنبرغ.

في ميكانيكا الكم‎الجزيئات ليس لها خصائص ثابتة كما تفعل الأشياء اليومية. وبدلا من ذلك، فهي موجودة في ضباب من الاحتمالات حتى يتم قياسها. وعندما يتم قياس خصائص معينة، تصبح خصائص أخرى غير مؤكدة. وفقًا لحالة عدم اليقين لهايزنبرج، ليس من الممكن معرفة الموقع الدقيق للجسيمين و زخمها الدقيق في نفس الوقت.

لكن أ دراسة جديدة وقد أظهرت ثغرة ذكية حول هذا التقييد. لقد أثبت الفيزيائيون في أستراليا أنه من خلال التركيز على الكميات المختلفة، المعروفة باسم العناصر القابلة للرصد المعيارية، يمكنهم قياس الموقع والزخم في نفس الوقت.

“لا يمكنك انتهاك مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ،” كريستوف فالاهووقال عالم الفيزياء في جامعة سيدني والمؤلف الرئيسي للدراسة لايف ساينس. “ما نفعله هو تغيير حالة عدم اليقين. فنحن نتخلص من بعض المعلومات التي لا نحتاج إليها، حتى نتمكن من قياس ما نهتم به بدقة أكبر بكثير.”

كانت الحيلة التي استخدمها فالاهو وفريقه هي قياس الزخم المعياري والموضع المعياري، بدلًا من قياس الزخم والموضع مباشرةً، وهو ما يلتقط التحولات النسبية لهذه الكميات ضمن مقياس ثابت، بدلًا من قيمها المطلقة.

“تخيل أن لديك مسطرة. إذا كنت تقيس موضع شيء ما، فستقرأ عدد السنتيمترات الموجودة فيه، ثم عدد المليمترات التي تتجاوز ذلك.” قال فالاهو. “لكن في القياس المعياري، لا يهمك السنتيمتر الذي تتواجد فيه. أنت تهتم فقط بعدد المليمترات التي تفصلك عن العلامة الأخيرة. أنت تتخلص من الموقع الإجمالي وتتابع التحولات الصغيرة فقط.”

وقال فالاهو إن هذا النوع من القياس مهم في سيناريوهات الاستشعار الكمي لأن الهدف غالبًا ما يكون اكتشاف التحولات الصغيرة الناجمة عن القوى أو المجالات الخافتة. يُستخدم الاستشعار الكمي لالتقاط الإشارات التي غالبًا ما تفوتها الأدوات العادية. هذا المستوى من الدقة يمكن أن يجعل أدوات الملاحة لدينا أكثر موثوقية وساعاتنا أكثر دقة في يوم من الأيام.

في المختبر، لجأ الفريق إلى أيون محصور واحد، وهو ذرة وحيدة مشحونة مثبتة في مكانها المجالات الكهرومغناطيسية. واستخدموا أشعة ليزر مضبوطة لتحويل الأيون إلى نمط كمي يسمى حالة الشبكة.

في حالة الشبكة، تنتشر الدالة الموجية للأيون في سلسلة من القمم المتباعدة بشكل متساوٍ، مثل العلامات الموجودة على المسطرة. يتركز عدم اليقين في الفراغات بين العلامات. استخدم الباحثون القمم كنقاط مرجعية: عندما تقوم قوة صغيرة بدفع الأيون، يتغير نمط الشبكة بالكامل قليلاً. يظهر التحول الجانبي الصغير للقمم كتغيير في الموضع، في حين يعكس الميل في نمط الشبكة تغيرًا في الزخم. نظرًا لأن القياس يهتم فقط بالتحولات المتعلقة بالقمم، فيمكن قراءة تغيرات الموقع والزخم في نفس الوقت.

وهنا يأتي دور القوة. في الفيزياء، القوة هي ما يتسبب في تغير الزخم بمرور الوقت وتغير الموقع. ومن خلال مراقبة كيفية تحرك نمط الشبكة، قام الباحثون بقياس الدفعة الصغيرة المؤثرة على الأيون.

إن القوة التي تبلغ حوالي 10 يوكتونيوتن (10-23 نيوتن) ليست رقمًا قياسيًا عالميًا. “لقد تغلب الناس على هذا بحوالي ضعفين من حيث الحجم، لكنهم يستخدمون بلورات ضخمة في تجارب كبيرة ومكلفة للغاية.” وقال فالاهو لايف ساينس. “سبب حماستنا هو أننا نستطيع الحصول على حساسيات جيدة باستخدام ذرة واحدة في فخ ليس بهذا التعقيد، وقابل للتطوير إلى حد ما.”

على الرغم من أن القوة التي تم تحقيقها ليست هي الأدنى، إلا أنها تثبت أن العلماء يمكنهم الحصول على حساسيات شديدة للغاية من خلال إعدادات أساسية للغاية. إن القدرة على استشعار التغيرات الصغيرة لها آثار واسعة النطاق في العلوم والتكنولوجيا. يمكن لأجهزة الاستشعار الكمومية فائقة الدقة تحسين الملاحة في الأماكن التي لا يصل إليها نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، مثل تحت الماء أو تحت الأرض أو في الفضاء. ويمكنه أيضًا تعزيز التصوير البيولوجي والطبي.

وقال فالاهو في مقال: “مثلما أحدثت الساعات الذرية ثورة في الملاحة والاتصالات، فإن أجهزة الاستشعار الكمومية ذات الحساسية القصوى يمكن أن تفتح الباب أمام صناعات جديدة تمامًا”. إفادة.