Uma equipe de pesquisadores do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague conseguiu emaranhar dois objetos quânticos muito diferentes. O resultado tem várias aplicações potenciais em sensoriamento ultrapreciso e comunicação quântica e agora está publicado na Nature Physics.
O emaranhamento é a base da comunicação quântica e da detecção quântica. Pode ser entendido como um elo quântico entre dois objetos que os faz se comportar como um único objeto quântico.
Os pesquisadores conseguiram fazer o emaranhamento entre um oscilador mecânico – uma membrana dielétrica vibrante – e uma nuvem de átomos, cada um agindo como um pequeno ímã, ou o que os físicos chamam de “spin”. Essas entidades muito diferentes eram possíveis de se enredar conectando-as com fótons, partículas de luz. Os átomos podem ser úteis no processamento de informações quânticas e a membrana – ou sistemas quânticos mecânicos em geral – podem ser úteis para o armazenamento de informações quânticas.
O professor Eugene Polzik, que liderou o esforço, afirma que: “Com esta nova técnica, estamos a caminho de ultrapassar os limites das possibilidades de emaranhamento. Quanto maiores os objetos, quanto mais distantes eles estão, mais díspares são, os torna-se mais interessante o emaranhamento tanto da perspectiva fundamental quanto da aplicada. Com o novo resultado, o emaranhamento entre objetos muito diferentes se tornou possível.”
Para entender o emaranhamento, seguindo o exemplo dos spins emaranhados com uma membrana mecânica, imagine a posição da membrana vibrante e a inclinação do spin total de todos os átomos, semelhante a um pião. Se ambos os objetos se moverem aleatoriamente, mas se forem observados movendo-se para a direita ou para a esquerda ao mesmo tempo, isso é chamado de correlação. Esse movimento correlacionado é normalmente limitado ao chamado movimento de ponto zero – o movimento residual não correlacionado de toda a matéria que ocorre mesmo à temperatura zero absoluta. Isso limita o conhecimento sobre qualquer um dos sistemas.
Em seu experimento, a equipe de Eugene Polzik confundiu os sistemas, o que significa que eles se movem de forma correlacionada com uma precisão melhor do que o movimento do ponto zero. “A mecânica quântica é como uma espada de dois gumes – ela nos dá novas tecnologias maravilhosas, mas também limita a precisão das medições que pareceriam fáceis do ponto de vista clássico”, disse um membro da equipe, Micha? Parniak. Os sistemas emaranhados podem permanecer perfeitamente correlacionados mesmo que estejam distantes um do outro – uma característica que intrigou os pesquisadores desde o nascimento da mecânica quântica, há mais de 100 anos.
Ph.D. o estudante Christoffer østfeldt explica ainda: “Imagine as diferentes maneiras de realizar estados quânticos como uma espécie de zoológico de diferentes realidades ou situações com qualidades e potenciais muito diferentes. Se, por exemplo, quisermos construir um dispositivo de algum tipo, a fim de explorar as diferentes qualidades que todos possuem e nas quais desempenham diferentes funções e resolvem uma tarefa diferente, será necessário inventar uma linguagem que todos sejam capazes de falar. Os estados quânticos precisam ser capazes de se comunicar, para que possamos usar o potencial total do dispositivo. Isso é o que este emaranhado entre dois elementos no zoológico mostrou que agora somos capazes. ”
Um exemplo específico de perspectivas de emaranhamento de diferentes objetos quânticos é o sensoriamento quântico. Objetos diferentes possuem sensibilidade a diferentes forças externas. Por exemplo, osciladores mecânicos são usados como acelerômetros e sensores de força, enquanto spins atômicos são usados em magnetômetros. Quando apenas um dos dois objetos emaranhados diferentes está sujeito à perturbação externa, o emaranhamento permite que seja medido com uma sensibilidade não limitada pelas flutuações do ponto zero do objeto.
Há uma possibilidade bastante imediata de aplicação da técnica na detecção de osciladores pequenos e grandes. Uma das maiores novidades científicas dos últimos anos foi a primeira detecção de ondas gravitacionais, feita pelo Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO). O LIGO detecta e mede ondas extremamente fracas causadas por eventos astronômicos no espaço profundo, como fusões de buracos negros ou fusões de estrelas de nêutrons. As ondas podem ser observadas porque sacodem os espelhos do interferômetro. Mas mesmo a sensibilidade do LIGO é limitada pela mecânica quântica porque os espelhos do interferômetro a laser também são abalados pelas flutuações do ponto zero. Essas flutuações levam a ruídos que impedem a observação do minúsculo movimento dos espelhos causado pelas ondas gravitacionais.
É, em princípio, possível gerar o emaranhamento dos espelhos LIGO com uma nuvem atômica e, assim, cancelar o ruído de ponto zero dos espelhos da mesma forma que o faz para o ruído de membrana no presente experimento. A correlação perfeita entre os espelhos e os spins atômicos devido ao seu emaranhamento pode ser usada em tais sensores para virtualmente apagar a incerteza. Requer simplesmente pegar informações de um sistema e aplicar o conhecimento ao outro. Desta forma, era possível aprender tanto sobre a posição quanto o momento dos espelhos do LIGO ao mesmo tempo, entrando no chamado subespaço livre da mecânica quântica e dando um passo em direção à precisão ilimitada das medidas de movimento. Um modelo de experimento demonstrando esse princípio está a caminho no laboratório de Eugene Polzik.
Publicado em 30/09/2020 09h42
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