Relógios atômicos de maior precisão, como o “relógio de pinça” retratado aqui, poderiam resultar da ligação ou “emaranhamento” de átomos de uma nova maneira por meio de um método conhecido como “spin squeezing”, no qual uma propriedade de um átomo é medida com mais precisão do que geralmente é permitido na mecânica quântica, diminuindo a precisão com que uma propriedade complementar é medida. Crédito: Steven Burrows e Rey Group/JILA
Os pesquisadores desenvolveram métodos para emaranhar um grande número de partículas, melhorando a precisão e a velocidade das medições quânticas. Esses avanços poderiam revolucionar os sensores quânticos e os relógios atômicos, com aplicações potenciais na pesquisa fundamental da física.
Abrindo novas possibilidades para sensores quânticos, relógios atômicos e testes de física fundamental, os pesquisadores do JILA desenvolveram novas formas de “emaranhar” ou interligar as propriedades de um grande número de partículas. No processo, eles desenvolveram maneiras de medir grandes grupos de átomos com mais precisão, mesmo em ambientes ruidosos e perturbadores.
As novas técnicas são descritas em dois artigos publicados em Natureza.(1) JILA é um instituto conjunto do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade do Colorado Boulder.
A magia do emaranhamento
“O emaranhamento é o Santo Graal da ciência da medição”, disse Ana Maria Rey, física teórica e bolsista do JILA e do NIST. “Os átomos são os melhores sensores de todos os tempos. Eles são universais. O problema é que eles são objetos quânticos, portanto são intrinsecamente barulhentos. Quando você os mede, às vezes eles estão em um estado de energia, às vezes em outro estado. Ao emaranhá-los, você consegue cancelar o ruído.”
Quando os átomos estão emaranhados, o que acontece com um átomo afeta todos os átomos emaranhados a ele. Ter dezenas – melhor ainda, centenas – de átomos emaranhados trabalhando juntos reduz o ruído e o sinal da medição torna-se mais claro e mais certo. Os átomos emaranhados também reduzem o número de vezes que os cientistas precisam realizar suas medições, obtendo resultados em menos tempo.
Um meio de emaranhamento é um processo chamado spin squeeze. Como todos os objetos que obedecem às regras da física quântica, os átomos podem existir em vários estados de energia ao mesmo tempo, uma capacidade conhecida como superposição. A compressão do spin reduz todos os possíveis estados de superposição em um átomo a apenas algumas possibilidades. É como apertar um balão. Quando você aperta o balão, o meio encolhe e as extremidades opostas ficam maiores. Quando os átomos são comprimidos por rotação, a gama de estados possíveis em que eles podem estar se estreita em algumas direções e se expande em outras.
Superando a distância na interação atômica
Mas é mais difícil emaranhar átomos mais distantes uns dos outros. Os átomos têm interações mais fortes com os átomos mais próximos deles; quanto mais distantes os átomos, mais fracas serão suas interações.
Pense nisso como pessoas conversando em uma festa lotada. As pessoas mais próximas umas das outras podem conversar, mas as que estão do outro lado da sala mal conseguem ouvi-las e a informação se perde no decorrer da linha. Os cientistas querem que todo o grupo de átomos converse entre si ao mesmo tempo. Físicos de todo o mundo estão procurando maneiras diferentes de conseguir esse emaranhamento.
“Um dos principais objetivos da comunidade é produzir estados emaranhados para obter medições de maior precisão em menos tempo”, disse Adam Kaufman, físico e membro da JILA.
Kaufman e Rey trabalharam juntos em propostas para alcançar esse emaranhado, uma das quais Rey e os seus colaboradores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, demonstraram.
Expandindo Limites Com Experimentos Iônicos
Neste experimento, a equipe alinhou 51 íons de cálcio em uma armadilha e usou lasers para induzir interações entre eles. Isso ocorre porque o laser excita fônons, vibrações como ondas sonoras entre os átomos. Esses fônons se espalham pela linha de átomos, ligando-os. Em experimentos anteriores, esses links foram projetados para serem estáticos, de modo que um íon só pudesse se comunicar com um conjunto específico de íons quando iluminado pelos lasers.
Ao adicionar campos magnéticos externos, foi possível tornar os links dinâmicos, crescendo e mudando ao longo do tempo. Isso significava que um íon que pudesse se comunicar com apenas um grupo de íons inicialmente poderia se comunicar com um grupo diferente e, eventualmente, seria capaz de se comunicar com todos os outros íons da matriz. Isso supera o problema da distância, diz Rey, e as interações foram fortes em toda a linha dos átomos. Agora todos os átomos estavam trabalhando juntos e todos podiam conversar entre si sem perder a mensagem ao longo do caminho.
Em pouco tempo, os íons ficaram emaranhados, formando um estado de spin comprimido, mas com um pouco mais de tempo, eles se transformaram no que é chamado de estado de gato. Este estado recebeu o nome do famoso experimento mental de Erwin Schrodinger sobre superposição, no qual ele propôs que um gato preso em uma caixa está vivo e morto até que a caixa seja aberta e seu estado possa ser observado. Para os átomos, um estado de gato é um tipo especial de superposição em que os átomos estão em dois estados diametralmente opostos, como para cima e para baixo, ao mesmo tempo. Os estados Cat são altamente emaranhados, ressalta Rey, o que os torna especialmente excelentes para a ciência da medição.
Direções futuras e aprimoramento de relógios ópticos
O próximo passo será tentar esta técnica com uma matriz bidimensional de átomos, aumentando o número de átomos para melhorar quanto tempo eles podem permanecer nesses estados emaranhados. Além disso, poderia permitir que os cientistas fizessem medições com mais precisão e rapidez.
O emaranhamento de rotação também pode beneficiar os relógios atômicos ópticos, que são uma importante ferramenta científica de medição. Kaufman e seu grupo na JILA, juntamente com colaboradores do grupo do colega Jun Ye do NIST/JILA, testaram um método diferente em outro estudo nesta edição da Natureza.(2)
Os pesquisadores carregaram 140 átomos de estrôncio em uma rede óptica, um único plano de luz para conter os átomos. Eles usaram feixes de luz cuidadosamente controlados, chamados pinças ópticas, para colocar os átomos em pequenos subgrupos de 16 a 70 átomos cada. Com um laser ultravioleta de alta potência, eles excitaram os átomos para uma superposição de seu estado usual de “relógio” e um estado de Rydberg de energia mais alta. Essa técnica é chamada de curativo Rydberg.
Os átomos do estado do relógio são como as pessoas quietas em uma festa lotada; eles não interagem fortemente com os outros. Mas para átomos no estado de Rydberg, o electrão mais externo está tão longe do centro do átomo que o átomo é efectivamente muito grande em tamanho, permitindo-lhe interagir mais fortemente com os outros átomos.
Agora todo o grupo está conversando. Com esta técnica de spin-squeezing, eles podem criar emaranhamento em todo o conjunto de 70 átomos.
Os pesquisadores compararam medições de frequência entre grupos de 70 átomos e descobriram que esse emaranhamento melhorou a precisão abaixo do limite para partículas não emaranhadas, conhecido como limite quântico padrão.
Medições mais rápidas e precisas permitirão que estes relógios sejam melhores sensores para procurar matéria escura e produzir melhores medições de tempo e frequência.
Para obter mais informações sobre esta pesquisa, consulte Sensoriamento aprimorado de emaranhamento abre caminho para sensores quânticos avançados.
Referências:
- “Detecção quântica aprimorada em transições ópticas por meio de interações de alcance finito” por Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi e Christian F. Roos, 30 de agosto de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z - “Realizando spin squeezing com interações Rydberg em um relógio óptico” por William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye e Adam M. Kaufman, 30 de agosto 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6
