doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z
Credibilidade: 999
#Entrelaçamento
Físicos quânticos desenvolveram um novo tipo de relógio atômico óptico, utilizando o emaranhamento quântico entre átomos de estrôncio para alcançar uma precisão sem precedentes. Esse avanço pode ter um grande impacto na computação quântica e na detecção precisa de mudanças no ambiente, embora o dispositivo atualmente funcione de forma eficaz apenas por milissegundos.
Avanços Quânticos na Medição do Tempo
Imagine entrar em uma sala cheia de relógios de pêndulo, cada um marcando o tempo de forma diferente. Físicos quânticos da Universidade do Colorado em Boulder e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) recriaram essa ideia em escala atômica e eletrônica. Esse avanço pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de relógios atômicos ópticos, que medem o tempo capturando os “tique-taques” naturais dos átomos.
O novo relógio do grupo é feito com algumas dezenas de átomos de estrôncio, dispostos em uma estrutura de grade. Para melhorar o desempenho do dispositivo, a equipe criou uma interação especial entre os átomos chamada emaranhamento quântico, essencialmente combinando quatro tipos diferentes de relógios em um único dispositivo.
Aumentando a Precisão com a Mecânica Quântica:
Esse não é um relógio comum de bolso: os pesquisadores mostraram que, em certas condições, o relógio pode superar um limite de precisão chamado “limite quântico padrão” – algo que o físico Adam Kaufman se refere como o “Santo Graal” para os relógios atômicos ópticos.
“Conseguimos dividir o mesmo intervalo de tempo em unidades cada vez menores”, disse Kaufman, autor principal do estudo e pesquisador no JILA, um instituto conjunto entre a Universidade do Colorado e o NIST. “Essa aceleração pode nos permitir rastrear o tempo com mais precisão.” Esses avanços podem levar a novas tecnologias quânticas, incluindo sensores que medem mudanças sutis no ambiente, como as variações na gravidade terrestre com a elevação.
Kaufman e seus colegas, incluindo o primeiro autor Alec Cao, estudante de pós-graduação no JILA, publicaram suas descobertas em 9 de outubro na revista *Nature*.
O Potencial dos Relógios Atômicos Ópticos:
Esse estudo representa um avanço significativo para os relógios atômicos ópticos, que podem fazer muito mais do que apenas marcar o tempo. Para construir um desses dispositivos, os cientistas geralmente começam aprisionando e resfriando um conjunto de átomos a temperaturas extremamente baixas. Em seguida, usam um laser potente para excitar os elétrons dos átomos, fazendo-os saltar entre diferentes níveis de energia, semelhante ao movimento de um pêndulo – mas esses relógios “ticam” mais de um trilhão de vezes por segundo.
A Mecânica dos Relógios Quânticos
Esses relógios são extremamente precisos. Os mais novos relógios atômicos ópticos no JILA, por exemplo, podem detectar mudanças na gravidade se forem elevados por uma fração de milímetro.
“Os relógios ópticos tornaram-se uma plataforma importante em muitas áreas da física quântica, porque permitem controlar átomos individuais com uma precisão extremamente alta – tanto em relação à sua posição quanto ao seu estado”, explicou Kaufman.
Porém, eles também têm uma grande limitação: em física quântica, coisas tão pequenas quanto átomos nunca se comportam exatamente como esperado. Essas incertezas naturais estabelecem um limite aparentemente inquebrável para a precisão de um relógio.
Emaranhamento Quântico: Um Caminho para a Precisão:
O emaranhamento quântico pode oferecer uma solução. Quando duas partículas se emaranham, informações sobre uma delas automaticamente revelam informações sobre a outra. Na prática, átomos emaranhados em um relógio se comportam menos como indivíduos e mais como se fossem um único átomo, tornando seu comportamento mais previsível.
No estudo, os pesquisadores geraram essa conexão quântica movendo os átomos de estrôncio de forma que seus elétrons orbitassem longe do núcleo, quase como se fossem feitos de algodão doce.
“É como uma órbita fofa”, disse Kaufman. “Essa ‘fofura’ significa que, se você aproximar dois átomos o suficiente, os elétrons podem sentir a presença um do outro, resultando em uma interação forte entre eles.”
Esses pares emaranhados “ticam” mais rapidamente do que átomos isolados. A equipe experimentou criar relógios que combinavam átomos individuais e grupos emaranhados de dois, quatro e oito átomos – ou seja, quatro relógios marcando o tempo em diferentes ritmos dentro de um único dispositivo. Descobriram que, em certas condições, os átomos emaranhados apresentam muito menos incerteza em seus “tique-taques” do que os átomos de um relógio atômico óptico tradicional.
“Isso significa que precisamos de menos tempo para atingir o mesmo nível de precisão”, afirmou Kaufman.
Perspectivas Futuras e Desafios:
Ainda há muito sendo feito. Por enquanto, os pesquisadores conseguem manter o relógio funcionando de forma eficaz por apenas cerca de 3 milissegundos. Depois disso, o emaranhamento entre os átomos começa a se desfazer, tornando a marcação do tempo caótica.
Apesar dos desafios, Kaufman vê um grande potencial no dispositivo. A abordagem de sua equipe para emaranhar átomos poderia, por exemplo, ser a base para “portas multiqubit” – operações fundamentais para cálculos em computadores quânticos, que futuramente poderão superar os computadores tradicionais em certas tarefas.
“A questão é: podemos criar novos tipos de relógios com propriedades personalizadas, possibilitadas pelo controle preciso que temos nesses sistemas”” concluiu Kaufman.
Publicado em 15/10/2024 16h10
Artigo original:
Estudo original: