Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Brud på Heisenbergs Usikkerhedsrelation

Eksperimenter udført af professor Yanhong Xiao og hendes forskerhold ved Fudanuniversitetet i Shanghai viser målinger af position og impuls med en statistisk usikkerhed under de grænser, som ellers er fastsat af den berømte Heisenbergs Usikkerhedsrelation, Δx⋅Δp≥ℏ/2.

09.11.2020 | Ole J. Knudsen

Den blå kurve viser eksperimentelle data, der opfylder Heisenbergs usikkerhedsrelation.

Den blå kurve viser eksperimentelle data, der opfylder Heisenbergs usikkerhedsrelation.

Ifølge Klaus Mølmer, IFA, som oprindeligt har foreslået eksperimenterne, og som er medforfatter på artiklen, tydeliggør disse resultater fortolkningen af Heisenbergs berømte ulighed, og de åbner for muligheden af mere præcise målinger i kvantesystemer.

Når talen er om kvantemekanisk usikkerhed, menes der ikke, at partikler er spredt ud over en fordeling af positioner og hastigheder, men der tales om, hvor præcist vi kan forudsige udfaldet for eksperimenter. Den kvantemekaniske bølgefunktion angiver sandsynligheder for disse udfald, og det er let at vise, at de statistiske usikkerheder på målinger af af position og impuls adlyder Heisenbergrelationen. Men der skal en anden formalisme til at beskrive den situation, hvor vi har adgang til resultater af målinger udført på et senere tidspunkt, når vi skal gætte de ukendte udfald af forudgående målinger. Professor Xiaos forskerhold målte i den sammenhæng værdier af Δx og Δp med et produkt så lavt som 0,34 ℏ , og der er ikke nogen teoretisk laveste grænse for, hvor lavt produktet af usikkerhederne kan blive.

Ud over at belyse grundliggende aspekter af kvanteformalismen, har reduktionen af usikkerhederne i ekperimentet betydning for målinger med høj præcision. Eksperimenterne blev udført med en gas af atomare partikler, hvis rotation i et magnetfelt blev målt ved hjælp af laserlys. De samme forskere har tidligere i år [2] vist, at reduktionen af usikkerheden ved målingerne af denne rotation fører til en meget præcis bestemmelse af magnetfelter - med mulige anvendelser i biovidenskab og medicin.

[1] H Bao, S Jin, J Duan, S Jia, K Mølmer, H Shen, and Y Xiao, Retrodiction beyond the Heisenberg uncertainty relation, Nature Communications, doi:10.1038/s41467-020-19495-1

[2] H Bao, Ji Duan, X Lu, P Li, i Qu, S Jin, M Wang, I Novikova, E Mikhailov, K-F Zhao, K Mølmer, H Shen, and Y Xiao, Measurements with prediction and retrodiction on the collective spin of 10^{11} atoms beat the standard quantum limit, Nature 581, 1591 (2020).

Forklaring til figuren: De blå og røde kuver viser de målte afvigelser for data omkring de forudsagte værdier for positionsmålinger (i vandret retning) og impulsmålinger (i lodret retning), og desuden linearkombinationer af de to størrelser (i de andre retninger). Den blå kurve viser resultater baseret på standardforudsigelserne, og den adlyder Heisenbergs Usikkerhedsrelation. Hvis man presser afvigelsen i position ned under 0,5 vil usikkerheden for impulsen øges tilsvarende. Den røde kurve, hvor det teoretiske gæt omfatter både tidligere og senere data, viser en reduceret afvigelse i både positions- og impulsmålinger, og i enhver linearkombination af disse størrelser.

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende