Os átomos dentro de uma cavidade óptica trocam seus estados de momento “jogando bola” com os fótons. À medida que os átomos absorvem fótons de um laser aplicado, toda a nuvem de átomos recua, em vez dos átomos individuais. Crédito: Steven Burrows/Rey, Thompson e Holland Groups, editado
Pesquisadores da JILA e do NIST desenvolveram uma técnica para mitigar o recuo atômico em medições quânticas usando interações de troca de momento dentro de um sistema de cavidades. Este avanço poderá melhorar significativamente a precisão de sensores quânticos e permitir novas descobertas em física quântica.
Devido ao recuo atômico, medir com precisão os estados de energia de átomos individuais tem sido um desafio histórico para os físicos. Quando um átomo interage com um fóton, o átomo “recua” na direção oposta, tornando difícil medir com precisão a posição e o momento do átomo. Este recuo pode ter grandes implicações para a detecção quântica, que detecta alterações mínimas nos parâmetros, por exemplo, utilizando alterações nas ondas gravitacionais para determinar a forma da Terra ou mesmo detectar matéria escura.
Os bolsistas da JILA e do NIST Ana Maria Rey e James Thompson, o bolsista da JILA Murray Holland e suas equipes propuseram uma maneira de superar esse recuo atômico, demonstrando um novo tipo de interação atômica chamada interação de troca de momento, onde os átomos trocaram seus momentos trocando fótons correspondentes . Detalhes da pesquisa foram publicados em um novo artigo na revista Ciência.
Usando uma cavidade – um espaço fechado composto de espelhos – os pesquisadores observaram que o recuo atômico era amortecido por átomos que trocavam estados de energia dentro do espaço confinado. Este processo criou uma absorção coletiva de energia e dispersou o recuo entre toda a população de partículas.
Os átomos dentro de uma cavidade óptica trocam seus estados de momento “jogando bola” com os fótons. À medida que os átomos absorvem fótons de um laser aplicado, toda a nuvem de átomos recua, em vez dos átomos individuais. Crédito: Steven Burrows/grupos Holland, Rey e Thompson
Com estes resultados, outros investigadores podem projetar cavidades para amortecer o recuo e outros efeitos externos numa vasta gama de experiências, o que pode ajudar os físicos a compreender melhor sistemas complexos ou a descobrir novos aspectos da física quântica. Um design de cavidade aprimorado também poderia permitir simulações mais precisas de supercondutividade, como no caso do crossover Bose-Einstein-Condensate-Bardeen-Cooper-Schrift (BEC-BCS) ou sistemas físicos de alta energia.
Pela primeira vez, observou-se que a interação de troca de momento induzia a dinâmica de torção de um eixo (OAT), um aspecto do emaranhamento quântico, entre estados de momento atômico. OAT atua como uma trança quântica para emaranhar moléculas diferentes, à medida que cada estado quântico é torcido e conectado a outra partícula.
Anteriormente, a OAT só era vista em estados internos atômicos, mas agora, com esses novos resultados, acredita-se que a OAT induzida pela troca de momento poderia ajudar a reduzir o ruído quântico de múltiplos átomos. Ser capaz de entrelaçar estados de momento também poderia levar a melhorias em algumas medições físicas por sensores quânticos, como ondas gravitacionais.
Aproveitando uma grade de densidade
Neste novo estudo, inspirado em pesquisas anteriores de Thompson e sua equipe, os pesquisadores examinaram os efeitos da superposição quântica, que permite que partículas como fótons ou elétrons existam em vários estados quânticos simultaneamente.
“Neste (novo) projeto, todos os átomos compartilham o mesmo spinlabel; a única diferença é que cada átomo está em uma superposição entre dois estados de momento”, explicou o estudante de graduação e primeiro autor Chengyi Luo.
Os pesquisadores descobriram que poderiam controlar melhor o recuo atômico, forçando os átomos a trocar fótons e suas energias associadas. Semelhante a um jogo de queimada, um átomo pode “lançar” uma “queima” (um fóton) e recuar na direção oposta. Essa “bola de queimada” pode ser capturada por um segundo átomo, o que pode causar a mesma quantidade de recuo para este segundo átomo. Isso cancela os dois recuos experimentados por ambos os átomos e calcula a média deles para todo o sistema de cavidades.
Quando dois átomos trocam suas diferentes energias de fótons, o pacote de ondas resultante (a distribuição de ondas de um átomo) em superposição forma um gráfico de momento conhecido como rede de densidade, que se parece com um pente de dentes finos.
Luo acrescentou. “A formação da rede de densidade indica que dois estados de momento (dentro do átomo) são ‘coerentes’ entre si, de modo que podem interferir (um com o outro).” Os pesquisadores descobriram que a troca de fótons entre os átomos causava uma ligação dos pacotes de ondas dos dois átomos, de modo que não eram mais medições separadas.
Os pesquisadores poderiam induzir a troca de momento explorando a interação entre a rede de densidade e a cavidade óptica. Como os átomos trocavam energia, qualquer recuo resultante da absorção de um fóton era disperso entre toda a comunidade de átomos, em vez de entre partículas individuais.
Amortecimento do deslocamento Doppler
Usando este novo método de controle, os pesquisadores descobriram que também poderiam usar este sistema de amortecimento de recuo para ajudar a mitigar um problema de medição separado: o desvio Doppler.
O deslocamento Doppler, um fenômeno da física clássica, explica por que o som de uma sirene ou da buzina de um trem muda de tom ao passar por um ouvinte ou por que certas estrelas aparecem em vermelho ou azul nas imagens do céu noturno – é a mudança na frequência da onda conforme a fonte e o observador se aproximam (ou se afastam). Na física quântica, o deslocamento Doppler descreve a mudança de energia de uma partícula devido ao movimento relativo.
Para pesquisadores como Luo, o deslocamento Doppler pode ser um desafio a ser superado na obtenção de uma medição precisa. “Ao absorver fótons, o recuo atômico levará a um deslocamento Doppler da frequência do fóton, o que é um grande problema quando se fala em espectroscopia de precisão”, elaborou. Ao simular seu novo método, os pesquisadores descobriram que ele poderia superar a distorção de medição devido ao deslocamento Doppler.
Troca de impulso envolvente
Os pesquisadores também descobriram que a troca de momento entre esses átomos poderia ser usada como uma espécie de emaranhamento quântico. Como John Wilson, um estudante de pós-graduação do grupo Holland, elaborou: “À medida que um átomo cai, seu movimento altera a frequência da cavidade. Isso, por sua vez, incentiva outros átomos a sentirem coletivamente esse mecanismo de feedback e os estimula a correlacionar seu movimento através das oscilações compartilhadas.”
Para testar ainda mais este “emaranhamento”, os investigadores criaram uma separação maior entre os estados de momento dos átomos e depois induziram a troca de momento. Os pesquisadores descobriram que os átomos continuaram a se comportar como se estivessem conectados. “Isso indica que os dois estados de momento estão realmente oscilando um em relação ao outro, como se estivessem conectados por uma mola”, acrescentou Luo.
Olhando para o futuro, os investigadores planeiam investigar mais profundamente esta nova forma de emaranhamento quântico, na esperança de compreender melhor como pode ser usada para melhorar vários tipos de dispositivos quânticos.
Referência: “Interações de troca de momento em um interferômetro de átomo de Bragg suprimem a defasagem Doppler” por Chengyi Luo, Haoqing Zhang, Vanessa PW Koh, John D. Wilson, Anjun Chu, Murray J. Holland, Ana Maria Rey e James K. Thompson, 2 Maio de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adi1393
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica, Acelerador de Sistemas Quânticos.
