A equipe de pesquisadores do JILA e NIST Fellow James K. Thompson combinou pela primeira vez com sucesso duas das características “mais assustadoras” da mecânica quântica para fazer um sensor quântico melhor: emaranhamento entre átomos e deslocalização de átomos.
Einstein originalmente se referiu ao emaranhamento como a criação de ação assustadora à distância – o estranho efeito da mecânica quântica em que o que acontece com um átomo de alguma forma influencia outro átomo em outro lugar. O emaranhamento está no centro dos esperados computadores quânticos, simuladores quânticos e sensores quânticos.
Um segundo aspecto bastante assustador da mecânica quântica é a deslocalização, o fato de que um único átomo pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo. Conforme descrito em seu artigo recentemente publicado na Nature, o grupo de Thompson combinou a assombro do emaranhamento e da deslocalização para realizar um interferômetro de onda de matéria que pode detectar acelerações com uma precisão que ultrapassa o limite quântico padrão (um limite na precisão de um medição experimental em nível quântico) pela primeira vez.
Ao dobrar a feiúra, os futuros sensores quânticos serão capazes de fornecer navegação mais precisa, explorar os recursos naturais necessários, determinar com mais precisão as constantes fundamentais, como a estrutura fina e as constantes gravitacionais, procurar com mais precisão a matéria escura, ou talvez até uma dia detectar ondas gravitacionais.
Gerando emaranhamento
Para emaranhar dois objetos, normalmente é preciso trazê-los muito, muito próximos um do outro para que possam interagir. O grupo Thompson aprendeu a emaranhar milhares a milhões de átomos, mesmo quando estão a milímetros ou mais de distância. Eles fazem isso usando a luz refletida entre os espelhos, chamada de cavidade óptica, para permitir que a informação salte entre os átomos e os una em um estado emaranhado. Usando essa abordagem única baseada em luz, eles criaram e observaram alguns dos estados mais altamente emaranhados já gerados em qualquer sistema, seja atômico, fotônico ou sólido.
O grupo projetou duas abordagens experimentais distintas, ambas utilizadas em seu trabalho recente. Na primeira abordagem, chamada de medição quântica de não demolição, eles fazem uma pré-medição do ruído quântico associado a seus átomos e simplesmente subtraem o ruído quântico de sua medição final.
Em uma segunda abordagem, a luz injetada na cavidade faz com que os átomos sofram uma torção de um eixo, um processo no qual o ruído quântico de cada átomo se correlaciona com o ruído quântico de todos os outros átomos para que possam conspirar juntos para se tornarem mais silenciosos. . “Os átomos são como crianças que se calam para ficarem quietas para que possam ouvir sobre a festa que o professor lhes prometeu, mas aqui é o emaranhado que faz o silêncio”, diz Thompson.
Interferômetro de onda de matéria
Um dos sensores quânticos mais precisos e precisos hoje é o interferômetro de onda de matéria. A ideia é que se use pulsos de luz para fazer com que os átomos se movam e não se movam simultaneamente, tendo absorvido e não absorvido a luz do laser. Isso faz com que os átomos ao longo do tempo estejam simultaneamente em dois lugares diferentes ao mesmo tempo.
Como explica o estudante de pós-graduação Chengyi Luo: “Nós lançamos feixes de laser nos átomos para que, na verdade, dividimos o pacote de ondas quânticas de cada átomo em dois, em outras palavras, a partícula realmente existe em dois espaços separados ao mesmo tempo”. Pulsos posteriores de luz laser revertem o processo trazendo os pacotes de ondas quânticas de volta para que quaisquer mudanças no ambiente, como acelerações ou rotações, possam ser detectadas por uma quantidade mensurável de interferência acontecendo nas duas partes do pacote de ondas atômicas, bem como é feito com campos de luz em interferômetros normais, mas aqui com ondas de’Broglie, ou ondas feitas de matéria.
A equipe de estudantes de pós-graduação do JILA descobriu como fazer tudo isso funcionar dentro de uma cavidade óptica com espelhos altamente refletivos. Eles poderiam medir até que ponto os átomos caíram ao longo da cavidade orientada verticalmente devido à gravidade em uma versão quântica do experimento gravitacional de Galileu, soltando itens da Torre Inclinada de Pisa, mas com todos os benefícios de precisão e exatidão que vêm da mecânica quântica.
Duplicando o susto
Ao aprender a operar um interferômetro de onda de matéria dentro de uma cavidade óptica, a equipe de estudantes de pós-graduação liderada por Chengyi Luo e Graham Greve foi capaz de aproveitar as interações luz-matéria para criar emaranhamento entre os diferentes átomos para fazer um medição mais silenciosa e precisa da aceleração devido à gravidade. Esta é a primeira vez que alguém foi capaz de observar um interferômetro de onda de matéria com uma precisão que ultrapassa o limite quântico padrão de precisão estabelecido pelo ruído quântico de átomos não emaranhados.
Graças à precisão aprimorada, pesquisadores como Luo e Thompson veem muitos benefícios futuros ao utilizar o emaranhamento como recurso em sensores quânticos. Thompson diz: “Acho que um dia seremos capazes de introduzir emaranhamento em interferômetros de onda de matéria para detectar ondas gravitacionais no espaço, ou para pesquisas de matéria escura – coisas que sondam a física fundamental, bem como dispositivos que podem ser usados para cada aplicações diárias, como navegação ou geodésia.”
Com este importante avanço experimental, Thompson e sua equipe esperam que outros usem essa nova abordagem de interferômetro emaranhado para levar a outros avanços no campo da física. Com otimismo, Thompson diz: “Aprendendo a aproveitar e controlar todas as coisas assustadoras que já conhecemos, talvez possamos descobrir novas coisas assustadoras sobre o universo que ainda nem pensamos”.
Publicado em 24/10/2022 07h27
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