Área que combina os princípios da mecânica quântica com técnicas da metrologia tradicional (ciência da medição), a metrologia quântica vem crescendo em importância atualmente. O progresso reflete não somente os avanços científicos, mas também o reconhecimento no crescente impacto dessa área do conhecimento em diversas áreas da ciência, tecnologia e indústria.
Em um artigo publicado recentemente na revista Nature, uma equipe do Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia) desenvolveu um novo dispositivo que promete realizar algumas das medições temporais mais rigorosas já feitas. Segundo o primeiro autor, Ran Finkelstein, a ferramenta é uma resposta a uma questão clássica da metrologia quântica: quando e como o emaranhamento pode melhorar a precisão das medições?
No estudo, os autores combinaram técnicas de manipulação e medição de átomos em estado quântico com a chamada leitura baseada em ancilla. Nesse método, "é possível ler o estado de um átomo sem nunca espalhar um fóton nele: emaranhando-o com outro átomo [ancilla ou auxiliar]", explica Finkelstein no LinkedIn.
Por que usar computadores quânticos para medir o tempo?
Esquema das operações quânticas universais para relógios de pinça.Fonte: Ran Finkelstein et al.
O novo método funde relógios atômicos de última geração com computadores. O objetivo, explica o líder do projeto, Manuel Endres em um release, "é chegar à precisão máxima permitida pela natureza". Segundo o professor de física, o estudo atual demonstra “os blocos de construção” para implementar circuitos quânticos universalmente programáveis.
Embora a metrologia quântica persiga há muito tempo a meta de usar o emaranhamento para melhorar a precisão das medições, obter a melhor sensibilidade permitida pela teoria para detectar ou medir algo ainda continua sendo um grande desafio pela presença de ruído (interferências). Por isso, é importante preparar o estado inicial da “sonda”, o estado do sistema que está sendo medido.
Otimizar tanto a criação quanto a leitura do sistema quântico para obter as medições mais precisas possíveis auxiliará também os físicos a pesquisar de forma mais eficiente certas leis da natureza. Isso inclui a teoria geral da relatividade de Einstein, além de alguns problemas “insolúveis” da física, como a natureza da matéria escura.
Uma interface entre relógios quânticos e computadores quânticos
O relógio de pinça tem potencial para baixo ruído (alta precisão).Fonte: I. S. Madjarov et al.
A equipe de Endres já usou a física quântica para aprimorar o desempenho de relógios atômicos, desenvolvendo os "relógios de pinça", nos quais uma pinça a laser captura, controla e isola átomos de estrôncio. No sistema, essas pinças ópticas são criadas por um feixe de laser infravermelho direcionado por um microscópio e depois desviado em pontos diferentes.
No estudo atual, os autores demonstram uma forma de realizar cálculos quânticos em um relógio de pinça, para aumentar sua precisão. "Os relógios atômicos usam a mecânica quântica para medir o tempo, enquanto os computadores quânticos usam a mecânica quântica para realizar cálculos", diz Endres. E conclui: "Aqui, estamos trabalhando na interface de ambos".
A grande dificuldade é como emaranhar os átomos na matriz do relógio de pinça. No emaranhamento quântico, duas ou mais partículas se ligam, mesmo separadas por grandes distâncias. "Você pode alcançar mais precisão se os átomos estiverem emaranhados, mas precisamos de uma forma complexa muito específica de emaranhamento", resume Endres.
Demonstrando o emaranhamento em relógios atômicos
A precisão de medição do estudo foi de 99,62%.Fonte: Getty Images
Para comprovar suas teorias, os autores usaram uma plataforma de relógio de pinça para realizar uma abordagem baseada em circuito específico em metrologia quântica com relógios ópticos de átomos neutros, segundo o estudo.
No novo estudo, os autores demonstraram que o emaranhamento quântico não apenas é possível, mas também que os computadores quânticos podem ser integrados a sensores quânticos, como relógios atômicos. O experimento demonstrou portas de emaranhamento de dois qubits com fidelidade de 99,62%, um índice muito confiável e eficaz.
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Ao usar um átomo com outro (ancilla), os autores também melhoraram o processo de medição, que pode ser repetido várias vezes, pois o fóton original nunca é espalhado. Em experimentos futuros, os pesquisadores esperam diminuir ainda mais os erros ocorridos no sistema, para aproximar continuamente seus relógios dos limites teóricos de precisão.
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