As vibrações quânticas nos átomos contêm um mundo de informações em miniatura. Se os cientistas puderem medir com precisão essas oscilações atômicas e como elas evoluem ao longo do tempo, eles poderão aprimorar a precisão dos relógios atômicos e dos sensores quânticos, que são sistemas de átomos cujas flutuações podem indicar a presença de matéria escura, uma onda gravitacional passageira, ou mesmo fenômenos novos e inesperados.
Um grande obstáculo no caminho para melhores medições quânticas é o ruído do mundo clássico, que pode facilmente sobrecarregar as vibrações atômicas sutis, tornando quaisquer alterações nessas vibrações diabolicamente difíceis de detectar.
Agora, os físicos do MIT mostraram que podem amplificar significativamente as mudanças quânticas nas vibrações atômicas, colocando as partículas em dois processos principais: emaranhamento quântico e reversão no tempo.
Antes de começar a comprar DeLoreans, não, eles não encontraram uma maneira de reverter o próprio tempo. Em vez disso, os físicos manipularam átomos quanticamente emaranhados de uma maneira que as partículas se comportaram como se estivessem evoluindo para trás no tempo. À medida que os pesquisadores efetivamente rebobinavam a fita de oscilações atômicas, quaisquer alterações nessas oscilações eram amplificadas, de uma maneira que poderia ser facilmente medida.
Em um artigo publicado hoje na Nature Physics, a equipe demonstra que a técnica, que eles apelidaram de SATIN (para amplificação de sinal através da reversão do tempo), é o método mais sensível para medir flutuações quânticas desenvolvido até hoje.
A técnica poderia melhorar a precisão dos atuais relógios atômicos de última geração por um fator de 15, tornando seu tempo tão preciso que durante toda a era do universo os relógios estariam menos de 20 milissegundos atrasados. O método também pode ser usado para focar ainda mais os sensores quânticos projetados para detectar ondas gravitacionais, matéria escura e outros fenômenos físicos.
“Achamos que este é o paradigma do futuro”, diz o principal autor Vladan Vuletic, professor de física Lester Wolfe no MIT. “Qualquer interferência quântica que funcione com muitos átomos pode lucrar com essa técnica.”
Os coautores do estudo no MIT incluem o primeiro autor Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez e Chi Shu.
Cronometristas emaranhados
Um determinado tipo de átomo vibra em uma frequência particular e constante que, se medida corretamente, pode servir como um pêndulo muito preciso, mantendo o tempo em intervalos muito mais curtos do que o segundo de um relógio de cozinha. Mas na escala de um único átomo, as leis da mecânica quântica assumem o controle e a oscilação do átomo muda como a face de uma moeda cada vez que é lançada. Somente fazendo muitas medições de um átomo os cientistas podem obter uma estimativa de sua oscilação real – uma limitação conhecida como Limite Quântico Padrão.
Em relógios atômicos de última geração, os físicos medem a oscilação de milhares de átomos ultrafrios, muitas vezes, para aumentar sua chance de obter uma medida precisa. Ainda assim, esses sistemas têm alguma incerteza e sua manutenção do tempo poderia ser mais precisa.
Em 2020, o grupo de Vuletic mostrou que a precisão dos relógios atômicos atuais poderia ser melhorada ao emaranhar os átomos – um fenômeno quântico pelo qual as partículas são coagidas a se comportar em um estado coletivo e altamente correlacionado. Nesse estado emaranhado, as oscilações de átomos individuais devem mudar para uma frequência comum que levaria muito menos tentativas para medir com precisão.
“Na época, ainda estávamos limitados pelo quão bem podíamos ler a fase do relógio”, diz Vuletic.
Ou seja, as ferramentas usadas para medir as oscilações atômicas não eram sensíveis o suficiente para ler ou medir qualquer mudança sutil nas oscilações coletivas dos átomos.
Inverta o sinal
Em seu novo estudo, em vez de tentar melhorar a resolução das ferramentas de leitura existentes, a equipe procurou aumentar o sinal de qualquer mudança nas oscilações, de modo que pudessem ser lidas pelas ferramentas atuais. Eles fizeram isso aproveitando outro fenômeno curioso da mecânica quântica: a reversão do tempo.
Pensa-se que um sistema puramente quântico, como um grupo de átomos que é completamente isolado do ruído clássico cotidiano, deve evoluir no tempo de maneira previsível, e as interações dos átomos (como suas oscilações) devem ser descritas precisamente pelo o “hamiltoniano” do sistema – essencialmente, uma descrição matemática da energia total do sistema.
Na década de 1980, os teóricos previram que se o hamiltoniano de um sistema fosse invertido, e o mesmo sistema quântico fosse feito para evoluir, seria como se o sistema estivesse voltando no tempo.
“Na mecânica quântica, se você conhece o Hamiltoniano, pode rastrear o que o sistema está fazendo ao longo do tempo, como uma trajetória quântica”, explica Pedrozo-Peñafiel. “Se essa evolução é completamente quântica, a mecânica quântica diz que você pode evoluir, ou voltar e voltar ao estado inicial.”
“E a ideia é que, se você pudesse reverter o sinal do Hamiltoniano, cada pequena perturbação que ocorreu depois que o sistema evoluiu para frente seria amplificada se você voltar no tempo”, acrescenta Colombo.
Para seu novo estudo, a equipe estudou 400 átomos ultrafrios de itérbio, um dos dois tipos de átomos usados nos relógios atômicos atuais. Eles resfriaram os átomos a apenas um fio de cabelo acima do zero absoluto, em temperaturas onde a maioria dos efeitos clássicos, como o calor, desaparecem e o comportamento dos átomos é governado puramente por efeitos quânticos.
A equipe usou um sistema de lasers para prender os átomos e, em seguida, enviou uma luz “emaranhada” tingida de azul, que coagiu os átomos a oscilar em um estado correlacionado. Eles deixaram os átomos emaranhados evoluir no tempo, depois os expuseram a um pequeno campo magnético, que introduziu uma pequena mudança quântica, mudando ligeiramente as oscilações coletivas dos átomos.
Tal mudança seria impossível de detectar com as ferramentas de medição existentes. Em vez disso, a equipe aplicou a reversão do tempo para aumentar esse sinal quântico. Para fazer isso, eles enviaram outro laser tingido de vermelho que estimulou os átomos a se desembaraçar, como se estivessem evoluindo para trás no tempo.
Eles então mediram as oscilações das partículas à medida que elas se acomodavam em seus estados desembaraçados e descobriram que sua fase final era marcadamente diferente de sua fase inicial – evidência clara de que uma mudança quântica havia ocorrido em algum lugar em sua evolução.
A equipe repetiu esse experimento milhares de vezes, com nuvens variando de 50 a 400 átomos, cada vez observando a amplificação esperada do sinal quântico. Eles descobriram que seu sistema emaranhado era até 15 vezes mais sensível do que sistemas atômicos não emaranhados semelhantes. Se o sistema deles for aplicado aos atuais relógios atômicos de última geração, reduziria o número de medições que esses relógios exigem, por um fator de 15.
No futuro, os pesquisadores esperam testar seu método em relógios atômicos, bem como em sensores quânticos, por exemplo, para matéria escura.
“Uma nuvem de matéria escura flutuando pela Terra pode mudar o tempo localmente, e o que algumas pessoas fazem é comparar relógios, digamos, na Austrália com outros na Europa e nos EUA para ver se conseguem detectar mudanças repentinas na forma como o tempo passa”, diz Vuletic. . “Nossa técnica é exatamente adequada para isso, porque você precisa medir as variações de tempo que mudam rapidamente à medida que a nuvem passa.”
Publicado em 17/07/2022 22h37
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