Ученые из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете создали систему, которая позволяет точнее измерять квантовые шумы. Это открытие может улучшить самые разные технологии — от обнаружения гравитационных волн в космосе до медицинской диагностики, например, в МРТ.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Почему это сложно

Современные оптические датчики уже работают на пределе возможного — их точность упирается в так называемый квантовый предел. Это барьер, который возникает из-за неизбежных шумов при измерении на микроскопическом уровне. Чтобы преодолеть его, нужны хитрые квантовые методы: сжатый свет, уклонение от обратной реакции и квантовая запутанность.

Сжатый свет — это свет, в котором квантовые шумы искусственно «сжаты» ниже обычного уровня. Допустим, у лазера есть небольшие колебания яркости (амплитудный шум) и частоты (фазовый шум). Ученые могут подавить один из этих шумов, но не оба сразу. Сжатый свет жертвует одним видом шума, чтобы уменьшить другой, что полезно для сверхточных измерений.

Обратная реакция — это когда сам процесс измерения влияет на систему, а шум детекции — это погрешности при считывании сигнала. Запутанность (квантовая корреляция) — ключевое отличие квантовой физики от классической — позволяет выйти за стандартный квантовый предел.

Как они это сделали

Раньше квантовую запутанность наблюдали только в микроскопических системах — например, между отдельными атомами или фотонами. Но здесь ученые впервые создали крупномасштабную запутанность между множеством фотонов и атомными спинами.

Этот гибридный подход позволяет динамически подавлять квантовые шумы в широком диапазоне частот. Для этого используется сжатый свет  (у него либо амплитуда, либо фаза менее шумные, чем обычно) и спиновая система с «отрицательной массой». Последняя меняет фазу сжатого света в зависимости от частоты и даже инвертирует шум — превращает его из положительного в отрицательный.

Почему это важно

Обычно для таких задач нужны огромные установки. Например, детекторы гравитационных волн (LIGO, VIRGO) используют 300-метровые резонаторы. А будущий Эйнштейн-телескоп в Европе потребует уже километровых конструкций. Новая система дает аналогичный результат на столешнице.

Где это пригодится

• Медицина: более четкие МРТ, ранняя диагностика болезней вроде Альцгеймера.
• Физика: поиск гравитационных волн от столкновений черных дыр.
• Квантовые технологии: защищенная связь, квантовая память.

Сенсор и спиновая система взаимодействуют через два запутанных световых луча. После измерения их сигналы комбинируются — и мы получаем данные точнее квантового предела, — объясняет профессор Евгений Ползик.

Главное преимущество — универсальность. Система работает в широком частотном диапазоне, а ее компактность открывает двери для применения там, где раньше требовались гигантские установки. Например:

• Биомедицина: сверхчувствительные датчики смогут улавливать слабые магнитные поля нейронов, что критично для изучения эпилепсии или Паркинсона.
• Гравитационная астрономия: можно будет ловить более слабые сигналы от далеких космических катастроф, расшифровывая историю Вселенной.
• Квантовые сети: технология может стать основой для «квантового интернета», где информация передается без риска взлома.

Пока система работает в лабораторных условиях. Для массового применения нужно решить две проблемы:

1. Стабильность: квантовая запутанность хрупка — малейшие внешние помехи разрушают ее.
2. Масштабирование: пока эксперименты проводились с небольшим числом атомов. Будет ли метод так же эффективен для макроскопических устройств?

Ранее квантовый компьютер впервые решил задачу экспоненциально быстрее обычного.