Para criar um sensor quântico mais eficaz, uma equipe de pesquisadores da JILA fundiu, pela primeira vez, dois dos aspectos “mais assustadores” da mecânica quântica: emaranhamento entre átomos e deslocalização de átomos.
O emaranhamento é o estranho efeito de mecânica quântica em que o que acontece com um átomo de alguma forma influencia outro átomo em outro lugar. Um segundo aspecto um tanto assustador da mecânica quântica é a deslocalização, o fato de que um único átomo pode estar simultaneamente em mais de um lugar.
Neste estudo, os pesquisadores combinaram o aspecto assustador de ambos emaranhamento e deslocalização para criar um interferômetro de onda de matéria que possa detectar acelerações com uma precisão que ultrapassa o limite quântico padrão. Futuro sensores quânticos será capaz de fornecer uma navegação mais precisa, procurar os recursos naturais necessários, determinar constantes fundamentais como a estrutura fina e as constantes gravitacionais com mais precisão, procurar matéria escura mais precisamente, e talvez até detectar ondas gravitacionais um dia, aumentando o terror.
Os pesquisadores usaram a luz refletida entre os espelhos, chamada cavidade óptica, para emaranhamento. Isso permitiu que a informação saltasse entre os átomos e os unisse em um estado emaranhado. Usando esta técnica especial baseada na luz, eles produziram e observaram alguns dos estados mais densamente emaranhados já gerados em qualquer sistema, seja ele atômico, fotônico ou de estado sólido. Usando essa técnica, o grupo projetou duas abordagens experimentais distintas, que utilizaram em seus trabalhos recentes.
No primeiro método, também conhecido como medição quântica de não demolição, eles medem previamente o ruído quântico ligado aos seus átomos e depois retiram essa medição da equação. O ruído quântico de cada átomo torna-se correlacionado com o ruído quântico de todos os outros átomos por um processo conhecido como torção de um eixo no segundo método, onde a luz é injetada na cavidade. Isso permite que os átomos trabalhem juntos para ficarem mais silenciosos.
JILA e NIST Fellow James K. Thompson disseram: “Os átomos são como crianças pedindo silêncio uns aos outros para que possam ouvir sobre a festa que o professor lhes prometeu, mas aqui é o emaranhado que faz o silêncio.”
Interferômetro de onda de matéria
O interferômetro de ondas de matéria é um dos sensores quânticos mais precisos e precisos da atualidade.
O estudante de graduação Chengyi Luo explicou: “A ideia é usar pulsos de luz para fazer com que os átomos se movam simultaneamente e não se movam por terem absorvido e não absorvido laser luz. Isso faz com que os átomos, ao longo do tempo, estejam simultaneamente em dois lugares diferentes ao mesmo tempo.”
“Nós direcionamos raios laser sobre os átomos, então dividimos o pacote de ondas quânticas de cada átomo em dois, em outras palavras, a partícula existe em dois espaços separados simultaneamente.”
Pulsos posteriores de luz laser invertem o processo, reunindo novamente os pacotes de ondas quânticas, permitindo que quaisquer mudanças no ambiente, como acelerações ou rotações, sejam detectadas por uma interferência mensuravelmente grande entre os dois componentes do pacote de ondas atômicas, muito parecido com é feito com campos de luz em interferômetros convencionais, mas aqui com ondas de Broglie, ou ondas feitas de matéria.
A equipe de pesquisa determinou como fazer isso funcionar dentro de uma cavidade óptica com espelhos altamente reflexivos. Eles puderam medir até que ponto os átomos caíram ao longo da cavidade orientada verticalmente devido a gravidade em uma versão quântica do experimento gravitacional de Galileu, lançando itens da Torre Inclinada de Pisa, mas com todos os benefícios de precisão e exatidão que advêm da mecânica quântica.
O grupo de estudantes de pós-graduação liderado por Chengyi Luo e Graham Greve conseguiu então usar o emaranhado criado pelo interações luz-matéria criar um interferômetro de onda de matéria dentro de uma cavidade óptica para detectar a aceleração da gravidade de forma mais silenciosa e precisa. Este é o primeiro caso em que um interferômetro de onda de matéria foi observado com um nível de precisão que excede o limite quântico típico imposto pelo ruído quântico de átomos não emaranhados.
Thompson dito, “Graças à precisão aprimorada, pesquisadores como Luo e Thompson veem muitos benefícios futuros na utilização do emaranhamento como recurso em sensores quânticos. Acredito que um dia seremos capazes de introduzir o emaranhamento em interferômetros de ondas de matéria para detectar ondas gravitacionais no espaço ou para pesquisas de matéria escura – coisas que investigam a física fundamental, bem como dispositivos que podem ser usados para aplicações cotidianas, como navegação ou geodésia."
“Com este importante avanço experimental, Thompson e sua equipe esperam que outros usem esta nova abordagem de interferômetro emaranhado para levar a outros avanços no campo da física. Ao aprender a aproveitar e controlar tudo o que já conhecemos, talvez possamos descobrir novas coisas assustadoras sobre o universo nas quais ainda nem pensamos!”
Jornal de referência:
- Graham P. Greve et al., Interferometria de onda de matéria aprimorada por emaranhamento em uma cavidade de alta precisão, Natureza (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05197-9
