Исследователи из Университета Торонто (Канада) продемонстрировали, что Вернер Гейзенберг был излишне пессимистичен, формулируя в 1927 году свой принцип неопределённости (ПНГ), считающийся краеугольным камнем квантовой механики.

Физикам удалось оценить поляризацию фотона, практически не повлияв на него, при помощи так называемого слабого измерения.

Напомним: согласно ПНГ, у частицы одновременно не могут быть точно измерены положение и скорость (импульс). Этот же принцип устанавливает и теоретически возможный предел точности для квантовых измерений. В одной из формулировок он гласит: невозможно одновременно точно измерить импульс частицы и её координаты, а произведение неопределённости измерений этих величин всегда будет больше редуцированной (приведённой) постоянной Планка.

Иными словами, бытие существует не в детерминистической форме, а скорее как набор вероятностей. Например, общая картина миллионов фотонов, рассеивающихся через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь (траекторию) каждого фотона нельзя предсказать никаким известным методом.

Ли Розема (справа), ведущий автор исследования, и его соавтор Дилан Малер у экспериментальной установки (фото Dylan Mahler).

Проведённые канадцами эксперименты основывались на нескольких недавних теоретических достижениях. Так, в 2003 году физик Масанао Одзава, посчитав, что принцип неопределённости Гейзенберга не относится к измерению, смог предложить лишь косвенный метод проверки своей гипотезы. В 2012-м в ряде опытов эта мысль, казалось бы, была подтверждена: слабое измерение действительно может разрешить проблему определения параметров одиночного фотона без внесения слишком больших возмущений самим фактом измерения. Однако осталось главное препятствие: для получения при помощи слабого измерения актуальной информации о подвергающейся ему частице фактически требовался маленький квантовый компьютер, то есть нечто, пока недоступное на практике.

Чтобы обойти это препятствие, авторы нынешней работы вместе со слабым измерением применили сильно запутанное кластерное состояние кубитов.

Для получения адекватной информации о поляризации фотона без оказания на него существенного воздействия проводились слабые измерения в отношении одного фотона до его попадания в основной аппарат, после чего на выходе из аппарата реализовывалось вторичное слабое измерение. В итоге было обнаружено, что соотношение точности измерения и возмущения для такого двойного слабого измерения ниже, чем это следует из гейзенберговского соотношения точности измерений и уровня возмущений.

Полученные результаты могут серьёзно повлиять на всю квантовую механику и ряд её практических приложений — к примеру, на теорию и практику квантовых компьютеров.