Pesquisadores da Universidade de Basileia e do laboratório Kastler Brussel mostraram que o emaranhamento quântico pode ser usado para medir muitas quantidades físicas ao mesmo tempo com maior precisão do que os métodos tradicionais.
O emaranhamento é frequentemente descrito como um dos efeitos mais misteriosos da física quântica. Quando dois objetos quânticos estão emaranhados, as medições realizadas neles podem ser fortemente acopladas mesmo quando os objetos estão distantes. Estas conexões estatísticas inesperadas não têm explicação na física clássica. O efeito pode parecer como se a medição de um objeto afetasse de alguma forma outro à distância. Este fenômeno, conhecido como paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen, foi confirmado experimentalmente e foi reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2022.
Usando emaranhamento remoto para medir a precisão
Com base nesta base, o Dr. Professor da Universidade de Basileia. Philippe Trutelin e uma equipe liderada pela Profa. Alice Sinatra no Laboratoire Kastler Brussel (LKB) em Paris mostraram que o emaranhamento entre objetos quânticos separados no espaço pode servir a um propósito prático. Seu trabalho mostra que sistemas espacialmente separados, mas emaranhados, podem ser usados para medir vários parâmetros físicos simultaneamente com maior precisão. Os resultados do estudo foram publicados recentemente na revista Science.
“A metrologia quântica, que explora efeitos quânticos para melhorar a medição de quantidades físicas, é agora um campo de investigação estabelecido”, diz Treutlin. Há cerca de quinze anos, ele e seus colaboradores foram os primeiros a dissociar os spins de átomos extremamente frios. Esses spins, que podem ser imaginados como minúsculas agulhas de bússola, podem então ser medidos com mais precisão do que se cada átomo se comportasse de forma independente, em vez de isolado.
“No entanto, esses átomos estavam na mesma posição”, explica Trutlin: “Agora estendemos esta ideia distribuindo os átomos em três nuvens espacialmente separadas. Como resultado, os efeitos de emaranhamento à distância agem como o paradoxo EPR.”
Mapeando campos com nuvens atômicas emaranhadas
Este método é particularmente útil para estudar quantidades que variam no espaço. Por exemplo, pesquisadores interessados em medir como um campo eletromagnético varia de um lugar para outro podem usar spins nucleares fisicamente dissociados. Tal como acontece com as medições feitas num único local, o emaranhamento reduz a incerteza resultante dos efeitos quânticos. Também pode cancelar perturbações que afetam todos os átomos igualmente.
“Até agora, ninguém fez tal medição quântica com nuvens de átomos isolados espacialmente, e a estrutura teórica para tais medições ainda não era clara”, disse Yifan Li, que trabalhou no experimento como pós-doutorado no grupo de Treutlin. Juntamente com colegas da LKB, a equipe estudou como reduzir a incerteza ao usar nuvens emaranhadas para medir a estrutura espacial do campo eletromagnético.
Para fazer isso, os pesquisadores primeiro prenderam os giros atômicos em uma única nuvem. Eles então dividiram a nuvem em três partes que ficaram juntas. Com apenas um pequeno número de medições, eles foram capazes de determinar a distribuição do campo com uma precisão significativamente maior do que seria possível sem o emaranhamento no espaço.
Aplicações em relógios atômicos e gravímetros
“Nossos protocolos de medição podem ser aplicados diretamente a instrumentos de precisão existentes, como relógios de rede óptica”, diz Lex Joosten, estudante de doutorado no grupo Basel. Nestes relógios, os átomos são mantidos no lugar por feixes de laser dispostos em uma rede e atuam como “ponteiros de relógio” altamente precisos. Os novos métodos podem reduzir certos erros causados pela forma como os átomos são distribuídos na rede, levando a uma cronometragem mais precisa.
A mesma técnica também poderia melhorar o interferômetro atômico, usado para medir a aceleração gravitacional da Terra. Em certas aplicações, conhecidas como gravímetros, os cientistas concentram-se em como a gravidade muda no espaço. O uso de átomos aprisionados torna possível medir essas variações com maior precisão do que nunca.
