Principiul incertitudinii - contestat

Principiul de incertitudine enunţat de Heisenberg este unul dintre principiile fundamentale ale mecanicii cuantice. În forma lui cea mai familiară, principiul afirmă că, la nivel atomic, este imposibil să măsori un sistem fără să afectezi starea sistemului măsurat.

De exemplu, orice încercare de a măsura poziţia unei particule conduce la o modificare aleatoare a vitezei acesteia.

Acest principiu (formulat în 1927 de fizicianul german Werner Heisenberg) i-a obsedat pe fizicieni aproape un secol, până mai recent, când nişte tineri cercetători de la Universitatea din Toronto au demonstrat posibilitatea de a măsura direct perturbaţia, confirmând astfel că Heisenberg a fost prea pesimist.

Aceasta este o metodă generală pentru măsurarea preciziei şi a perturbaţiilor oricărui sistem. Sistemul este iniţial măsurat uşor, înaintea plasării aparatului de măsură, după care este măsurat din nou, împreună cu aparatul de măsură.

"Am conceput un aparat care măsoară o anumită proprietate - polarizarea unui singur foton. A fost apoi necesar să măsurăm cât de mult aparatul de măsură a influenţat fotonul", afirmă Lee Rozema, un doctorand din grupul de cercetări de optică cuantică al profesorului Aephraim Steinberg, Universitatea din Toronto. Studiul este ulterior publicat în Physical Review Letters.

Pentru a realiza acest lucru trebuie să măsurăm starea fotonului înaintea aparatului de măsură, dar actul măsurării în sine va deranja, de asemenea, starea fotonului, afirmă Rozema.

Absolvenţi în cadrul Secţiei de Optică Cuantică ai Universităţii din Toronto, studenţii Dylan Mahler (stânga) şi Lee Rozema (dreapta), preparând o pereche de fotoni corelaţi cuantic, pentru a studia perturbaţiile pe care aceştia le suferă după ce sunt măsuraţi. Cei doi absolvenţi sunt parte dintr-o echipă care a demonstrat gradul de precizie care poate fi atins cu tehnici uşoare de măsurare, conducând la o reevaluare a principiului de incertitudine al lui Heisenberg.

Pentru a depăşi acest obstacol, Rozema şi colegii lui au folosit o tehnică cunoscută de măsurare uşoară, prin care acţiunea unui instrument de măsurare e destul de slabă pentru a avea un impact imperceptibil asupra a ceea ce este măsurat. Înainte ca fiecare foton să fie trimis către aparatul de măsură, cercetătorii l-au măsurat uşor, după care l-au măsurat din nou, comparând rezultatele. Aceştia au descoperit că perturbaţia indusă de actul măsurării este mai mică decât ar trebui să fie, conform cu formula precizie-perturbaţie a lui  Heisenberg.

“Fiecare măsurare ne-a furnizat numai o cantitate infimă de informaţie în ceea ce priveşte perturbaţia dar, prin repetarea experimentului de mai multe ori, am putut să ne facem o idee destul de bună despre cât de mult a fost perturbat fotonul" afirmă Rozema.

Rezultatele experimentului s-au adăugat altor experimente recente efectuate peste tot în lume, menite să infirme principiul lui Heinserberg. Fizicianul Masanao Ozawa de la Universitatea din Nagoya a afirmat în 2003 că principiul de incertitudine al lui Heisenberg nu se aplică măsurării, dar ar putea să sugereze o cale indirectă care să confirme predicţiile lui. O validare de genul celei propuse de el a fost întreprinsă anul trecut de grupul lui Yuji Hasegawa, la Vienna University of Technology. În 2010, doi cercetători ai Universitătii Griffith, Austin Lund şi Howard Wiseman, au demonstrat că măsurarea uşoară ar putea fi folosită pentru a caracteriza procesul de măsurare a unui sistem cuantic. Totuşi, existau încă obstacole de trecut, deoarece acest demers necesită un computer cuantic, dificil de construit la momentul actual. 

"În trecut, am efectuat experimente atât pentru implementarea metodei de măsurare uşoară, cât şi pentru folosirea unei metode numite 'computerizare cuantică a stării cluster", în vederea simplificării  construirii de computere cuantice. Combinaţia acestor două idei a condus la concluzia că există o cale de a implementa ideile lui Lund şi Wiseman în laborator”, a declarat Rozema. 

Se presupune adesea că principiul de incertitudine al lui Heisenberg se aplică atât incertitudinii intrinseci pe care un sistem cuantic o are, cât şi procesului de măsurare în sine. Aceste rezultate arată că lucrurile nu stau chiar aşa şi demonstrează gradul de precizie care ar putea fi atins cu tehnicile de măsurare uşoară. "Rezultatele ne forţează să ne modificăm concepţia de până acum în legătură cu ce limite impune mecanica cuantică  asupra procesului de măsurare" afirmă Rozema. "Aceste limite sunt de o importanţă fundamentală în mecanica cuantică şi joacă un rol central în dezvoltarea viitoare a tehnologiei de "criptografie cuantică", care se sprijină pe principiul de incertitudine, pentru a garanta că orice intrus în sistem  poate fi detectat datorită perturbaţiilor cauzate de măsurarea lui."

"Lumea cuantică este încă plină de incertitudine, dar încercările noastre ar trebui să transmită o imagine care să conţină mai puţină incertitudine decât cea cu care suntem obişnuiţi atunci când ne referim la subiectul discutat".

Traducere după scientists-renowned-uncertainty-principle de Mihai Panoschi