Algumas das maiores questões não respondidas sobre a natureza do universo estão relacionadas à luz, ao vácuo (ou seja, espaço onde nem a matéria nem a radiação existem) e sua relação com o tempo. No passado, físicos e filósofos abordaram uma variedade de questões complexas, por exemplo, qual é a natureza do vácuo, e como a propagação da luz está ligada à passagem do tempo?
Pesquisadores da Universidade de Konstanz realizaram recentemente um estudo explorando os estados quânticos de flutuações de luz e vácuo, bem como sua interação com o tempo. Seu artigo, publicado na Nature Physics, introduz uma nova estrutura teórica para descrever os estados quânticos da luz e do vácuo em escalas de tempo ultracurtas.
O estudo dos pesquisadores se concentra na “luz comprimida”, que é essencialmente composta de impulsos de luz com flutuações eletromagnéticas redistribuídas ou “espremidas” .Kizmann e seus colegas foram capazes de desvendar a existência de uma dependência direta entre os campos eletromagnéticos de luz ou vácuo e Tempo.
“Por volta de 2015, nossos colegas Professor Alfred Leitenstorfer e seu grupo, também da Universidade de Constança, foram os primeiros a demonstrar experimentalmente que as flutuações de vácuo da luz podem ser medidas diretamente”, disse Matthias Kizmann, um dos pesquisadores que realizou o estudo. disse Phys.org. “Desde então, temos estado interessados ??em desenvolver uma nova teoria para descrever flutuações de vácuo que ocorrem em curtíssimas durações. Isso nos levou à questão de se as flutuações de vácuo também poderiam ser manipuladas em curtíssimas durações para gerar a chamada luz comprimida. “
Em seu artigo, os pesquisadores descrevem a interação entre um campo forte chamado campo de “bomba” e o vácuo eletromagnético dentro de um cristal não-linear. Como resultado dessa interação, o campo redistribui as flutuações de vácuo no tempo, resultando em intervalos de tempo em que essas flutuações são aumentadas ou reprimidas. Este processo é conhecido como apertar.
“Normalmente, é preciso calcular todo o campo elétrico para descrever os efeitos resultantes, mas agora descobrimos como descrever a compressão como uma mudança no fluxo do tempo”, explicou Kizmann. “Estados espremidos pertencem a uma classe mais ampla de estados de luz não-clássicos. Esses tipos de estados exibem várias características fascinantes e novas em oposição à luz laser mais clássica. Como tal, estados de luz não-clássicos desempenham um papel importante no desenvolvimento de tecnologias futuras na área da informação quântica ou espectroscopia quântica. “
Kizmann e seus colegas reuniram interessantes observações descrevendo como a luz e o vácuo estão relacionados ao tempo. Eles desenvolveram um modelo físico que pode ser usado para descrever estados quânticos do campo eletromagnético para luz e vácuo em escalas de tempo ultracurtas. Seu artigo também descreve como o campo eletromagnético no vácuo, conhecido como flutuações de vácuo, pode ser manipulado.
Essencialmente, a luz consiste em ondas ou campos elétricos e magnéticos oscilantes. No século 19, as pessoas acreditavam que no escuro, esses campos são iguais a zero. A teoria quântica, no entanto, afirma que um espaço vazio escuro não é de fato inteiramente vazio, pois contém pequenas flutuações que promovem movimentos leves nos campos, conhecidos como flutuações de vácuo. Sabe-se que estas flutuações são redistribuídas de uma variável para outra (por exemplo, de campos elétricos para campos magnéticos), que é a compressão do vácuo.
“Estudamos como as flutuações do vácuo podem ser manipuladas com o tempo e descobrimos que também podemos redistribuir as flutuações de um momento para o outro”, disse Guido Burkard, principal pesquisador do estudo, à Phys.org. “Acontece que o fluxo de tempo visto do pulso de luz pode ser modificado em um material óptico não-linear, e essa mudança no fluxo do tempo está diretamente relacionada à mudança nas flutuações”.
As observações recolhidas por Kizmann, Burkard e seus colegas apresentam algumas semelhanças com a relatividade do tempo na teoria da relatividade. Em seu artigo, eles fazem uma analogia entre a mecânica quântica e a teoria da relatividade, duas áreas da física que os estudos anteriores muitas vezes se esforçaram para reconciliar. Suas observações e a analogia que apresentaram poderiam, em última análise, aprimorar nossa compreensão atual da relação entre a física quântica e a relatividade. Os pesquisadores também acreditam que os pulsos ultracurtos de luz quântica comprimida podem em breve ser demonstrados e observados no laboratório.
“Acreditamos que estados de luz quântica de duração minúscula até um femtossegundo (10 elevado a -15 segundos) serão percebidos e caracterizados experimentalmente em breve”, disse Andrey Moskalenko, outro pesquisador envolvido no estudo, à Phys.org. “Então eles podem ser usados ??como uma nova ferramenta quântica em espectroscopia ultrarrápida, sondando processos na matéria em curtíssimas durações. Isso daria acesso a uma infinidade de fenômenos ultrarrápidos atualmente ocultos, mas muito importantes, que determinam propriedades-chave de novos dispositivos quânticos.”
O estudo oferece novos insights fascinantes sobre os estados quânticos de luz e vácuo e sua relação com o tempo. A teoria que eles desenvolveram poderia, em última instância, facilitar o uso de estados quânticos de luz dependentes do tempo em aplicações de informação quântica e óptica quântica. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam explorar mais esse tópico, investigando a relação entre os movimentos leves que ocorrem no vácuo e um fenômeno chamado entrelaçamento quântico.
“Estamos curiosos sobre como essas redistribuições de flutuações quânticas estão relacionadas ao entrelaçamento quântico, o fenômeno que alimenta os computadores quânticos e representa um recurso para a comunicação quântica segura”, disse Burkard. “Também gostaríamos de saber como medir (ou seja, ‘olhar’) os campos de vácuo influenciam essas flutuações e como estados espremidos podem ser usados ??para espectroscopia ultra-rápida”.
Publicado em 10/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-vacuum-fluctuations-perspective.html
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