Heisenbergův princip neurčitosti patří k nejznámějším pilířům kvantové fyziky. Od roku 1927 se fyzici smiřovali s tím, že určité dvojice vlastností – například polohu a hybnost částice – nelze nikdy změřit současně s naprostou přesností. Čím detailněji se podaří sledovat jednu veličinu, tím více se rozostří ta druhá. Tohle omezení se stalo synonymem pro hranice lidského poznání.

Jenže nový experiment, který nedávno publikovali vědci z University of Sydney a spolupracující odborníci z britských institucí, ukazuje, že i tahle hranice má překvapivě pružný charakter. Nejde o porušení samotného principu, spíš o jeho chytré „obejití“ – fyzici dokázali nejistotu přeskupit tak, aby se pro praktické účely dala využít mnohem efektivněji.

Balón a hodiny jako metafory nejistoty

Vedoucí výzkumu, Dr. Tingrei Tan, přirovnává kvantovou neurčitost k nafukovacímu balónu: Nedá se z něj jednoduše vypustit vzduch, aniž by praskl, ale lze jej různě zmáčknout a přesunout objem do míst, kde nepřekáží. V jejich experimentu to znamená, že „hrubé“ informace – velké skoky v poloze nebo hybnosti – se obětují, aby naopak jemné detaily šly měřit s dosud nedosaženou přesností.

Podobně funguje i druhá přirovnání, které vědci použili: Představte si hodiny s jedinou ručičkou. Buď velmi přesně ukazují minuty, ale ztrácíte přehled o hodinách, nebo naopak. Nový postup je právě o takovéto „modulární“ volbě – vzdáte se globálních údajů, ale získáte možnost sledovat extrémně malé změny.

Od teorie k experimentu

Už v roce 2017 vznikla teoretická představa, že by šlo princip neurčitosti využít tímto způsobem. Až nyní ale tým z University of Sydney provedl první skutečný experiment. Pomohly jim k tomu metody vyvinuté původně pro kvantové počítače, konkrétně tzv. „grid states“ – mřížkové stavy, které měly původně chránit výpočty před chybami.

Ve spolupráci s teoretiky z RMIT University a University of Bristol dokázali vědci připravit ion v pasti tak, aby jeho vibrační pohyby sloužily jako kvantový ekvivalent kyvadla. V tomto stavu bylo možné měřit polohu i hybnost zároveň s přesností, která překračuje tzv. standardní kvantový limit.

„Nejde o to, že bychom popřeli Heisenberga. Vše je v souladu s kvantovou mechanikou,“ vysvětluje Dr. Ben Baragiola z RMIT. „Jen jsme protokol optimalizovali na malé signály – na jemné detaily, které jsou v mnoha aplikacích rozhodující.“

Zdroj: Shutterstock

Co může přinést praxe

Význam podobného průlomu není jen teoretický. Ultracitlivé senzory dokážou najít využití v oblastech, kde současná technika selhává. Například v navigaci na místech bez signálu GPS – v ponorkách, v podzemí nebo ve vesmíru. Stejně tak by mohly přinést nové možnosti do lékařského zobrazování nebo sledování materiálů a gravitačních polí.

Právě možnost detekovat extrémně malé změny by mohla otevřít dveře k objevům, na které dnešní technologie nestačí. Podobně jako atomové hodiny kdysi zásadně proměnily telekomunikace i navigaci, mohou nové kvantové senzory založené na této metodě odstartovat celé nové odvětví.

Síla spolupráce

Na výzkumu se podílely týmy z Austrálie i Británie – kromě University of Sydney a RMIT také University of Melbourne, Macquarie University a University of Bristol. Je to ukázka toho, že propojení laboratoří a sdílení know-how dokáže urychlit cestu od teorie k praktickému experimentu.

Dr. Tan to shrnuje jednoduše: „Ukázali jsme, že díky spolupráci můžeme překročit hranice, které se ještě nedávno zdály pevně dané. Je to důkaz, že fyzika má stále co nabídnout – nejen na papíře, ale i v laboratoři.“