Pesquisadores da Universidade de Basileia e do Laboratório Kastler Brosser mostraram que o emaranhamento quântico pode ser usado para medir múltiplas quantidades físicas simultaneamente com maior precisão do que os métodos convencionais.
O emaranhamento é frequentemente descrito como um dos efeitos mais misteriosos da física quântica. Quando dois objetos quânticos estão emaranhados, as medições deles podem permanecer intimamente ligadas, mesmo que os objetos estejam distantes. Estas conexões estatísticas inesperadas não podem ser explicadas na física clássica. Este efeito parece que a medição de um objeto afeta outro objeto distante de alguma forma. Este fenômeno, conhecido como paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen, foi confirmado experimentalmente e ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2022.
Medições de precisão usando emaranhamento de longa distância
Nesta base, uma equipe liderada pelo professor Philipp Treutlein da Universidade de Basileia e pela professora Alice Sinatra do Laboratório Castel-Brosseur (LKB) em Paris demonstrou que o emaranhado entre objetos quânticos separados no espaço pode desempenhar um papel prático. Seu trabalho mostra que sistemas espacialmente separados, mas emaranhados, podem ser usados para medir vários parâmetros físicos simultaneamente com maior precisão. As descobertas foram publicadas 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”, disse Treutlein. Há cerca de quinze anos, ele e os seus colaboradores foram dos primeiros a emaranhar as rotações de átomos extremamente frios. Pense nesses spins como pequenas agulhas de uma bússola, que podem ser medidas com mais precisão do que se cada átomo operasse de forma independente, sem emaranhamento.
“No entanto, estes átomos estão todos localizados na mesma posição”, explica Treutlein. “Agora estendemos este conceito distribuindo os átomos em até três nuvens espacialmente separadas. O efeito de emaranhamento opera, portanto, à distância, tal como o paradoxo EPR.”
Mapeando campos com nuvens de átomos emaranhados
Este método é particularmente útil para estudar quantidades que variam no espaço. Por exemplo, pesquisadores interessados em medir como os campos eletromagnéticos mudam entre locais poderiam usar spins atômicos emaranhados fisicamente separados. Tal como as medições feitas num único local, o emaranhamento reduz as incertezas causadas pelos efeitos quânticos. Também elimina interferências que afetam todos os átomos da mesma maneira.
“Até agora, ninguém fez tal medição quântica de uma nuvem espacialmente separada de átomos emaranhados, e a estrutura teórica para tal medição permanece obscura”, disse Yifan Li, pós-doutorado no grupo de Trutland. Juntamente com colegas do LKB, a equipe investigou como minimizar as incertezas ao usar nuvens emaranhadas para medir a estrutura espacial dos campos eletromagnéticos.
Para fazer isso, os pesquisadores primeiro emaranharam rotações atômicas em uma única nuvem. Eles então separaram a nuvem em três partes, que permaneceram emaranhadas entre si. Com apenas algumas medições, eles foram capazes de determinar a distribuição do campo com uma precisão significativamente maior do que seria sem emaranhamento espacial.
Aplicações em relógios atômicos e gravímetros
“Nosso protocolo de medição pode ser aplicado 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 cristalina e atuam como um “mecanismo de relógio” extremamente preciso. O novo método reduz erros específicos causados pela forma como os átomos são distribuídos na rede cristalina, permitindo um tempo mais preciso.
A mesma estratégia também poderia melhorar os interferômetros atômicos usados para medir a aceleração gravitacional da Terra. Em algumas aplicações chamadas gravimetria, os cientistas se concentram em como a gravidade muda no espaço. O uso de átomos emaranhados permite que essas mudanças sejam medidas com mais precisão do que antes.
