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A física quântica permitiu a criação de sensores que superam em muito a precisão dos dispositivos clássicos. Agora, vários estudos em Natureza mostram que a precisão desses sensores quânticos pode ser significativamente melhorada usando o emaranhamento produzido por interações de alcance finito. Os pesquisadores de Innsbruck liderados por Christian Roos conseguiram demonstrar esse aprimoramento usando cadeias de íons emaranhadas com até 51 partículas.
Instituições metrológicas em todo o mundo administram o nosso tempo, utilizando relógios atômicos baseados nas oscilações naturais dos átomos. Esses relógios, essenciais para aplicações como navegação por satélite ou transferência de dados, foram recentemente aprimorados com o uso de frequências de oscilação cada vez mais altas em relógios atômicos ópticos. Agora, cientistas da Universidade de Innsbruck e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências liderado por Christian Roos mostram como uma forma particular de criar emaranhamento pode ser usada para melhorar ainda mais a precisão das medições essenciais para função de um relógio atômico óptico.
Erro de medição reduzido pela metade no experimento
As observações de sistemas quânticos estão sempre sujeitas a uma certa incerteza estatística. “Isso se deve à natureza do mundo quântico”, explica Johannes Franke, da equipe de Christian Roos. “O emaranhamento pode nos ajudar a reduzir esses erros.” Com o apoio da teórica Ana Maria Rey da JILA em Boulder, EUA, os físicos de Innsbruck testaram a precisão da medição num conjunto emaranhado de partículas em laboratório. Os pesquisadores usaram lasers para sintonizar a interação dos íons alinhados em uma câmara de vácuo e emaranhá-los. “A interação entre partículas vizinhas diminui com a distância entre as partículas. Portanto, usamos interações de troca de spin para permitir que o sistema se comportasse de forma mais coletiva”, explica Raphael Kaubrügger, do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck. Assim, todas as partículas da cadeia foram emaranhadas umas com as outras e produziram o chamado estado quântico comprimido. Usando isso, os físicos conseguiram mostrar que os erros de medição podem ser reduzidos aproximadamente pela metade ao emaranhar 51 íons em relação a partículas individuais. Anteriormente, a detecção aprimorada por emaranhamento dependia principalmente de interações infinitas, limitando sua aplicabilidade apenas a certas plataformas quânticas.
Relógios ainda mais precisos
Com seus experimentos, os físicos quânticos de Innsbruck conseguiram mostrar que o emaranhamento quântico torna os sensores ainda mais sensíveis. “Utilizámos uma transição óptica nas nossas experiências que também é utilizada em relógios atómicos”, diz Christian Roos. Esta tecnologia poderia melhorar áreas onde os relógios atómicos são actualmente utilizados, tais como a navegação por satélite ou a transferência de dados. Além disso, estes relógios avançados poderão abrir novas possibilidades em atividades como a procura de matéria escura ou a determinação de variações temporais de constantes fundamentais.
Christian Roos e sua equipe agora querem testar o novo método em conjuntos iônicos bidimensionais. Os resultados atuais foram publicados na revista Natureza. Na mesma edição, os pesquisadores publicaram resultados muito semelhantes usando átomos neutros. A pesquisa em Innsbruck foi apoiada financeiramente pelo Fundo Austríaco para a Ciência FWF e pela Federação das Indústrias Austríacas do Tirol, entre outros.
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