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A “ação assustadora à distância” que antes enervava Einstein pode estar a caminho de se tornar tão prosaica quanto os giroscópios que atualmente medem a aceleração em smartphones.
O emaranhamento quântico melhora significativamente a precisão dos sensores que podem ser usados para navegar sem GPS, de acordo com um novo estudo em Fotônica da Natureza.
“Ao explorar o emaranhamento, melhoramos a sensibilidade da medição e a rapidez com que podemos fazer a medição”, disse Zheshen Zhang, professor associado de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Michigan e co-autor correspondente do estudo. Os experimentos foram feitos na Universidade do Arizona, onde Zhang trabalhava na época.
Sensores optomecânicos medem forças que perturbam um dispositivo sensor mecânico que se move em resposta. Esse movimento é então medido com ondas de luz. Nesse experimento, os sensores eram membranas, que agem como peles de tambor que vibram após serem empurradas. Sensores optomecânicos podem funcionar como acelerômetros, que podem ser usados para navegação inercial em um planeta que não possui satélites GPS ou dentro de um prédio enquanto uma pessoa navega em diferentes andares.
O emaranhamento quântico pode tornar os sensores optomecânicos mais precisos do que os sensores inerciais atualmente em uso. Também poderia permitir que sensores optomecânicos procurassem forças muito sutis, como identificar a presença de matéria escura. A matéria escura é uma matéria invisível que se acredita representar cinco vezes mais da massa do universo do que podemos sentir com a luz. Isso puxaria o sensor com força gravitacional.
Veja como o emaranhamento melhora os sensores optomecânicos:
Os sensores optomecânicos dependem de dois feixes de laser sincronizados. Um deles é refletido por um sensor, e qualquer movimento no sensor altera a distância que a luz percorre em seu caminho até o detector. Essa diferença na distância percorrida aparece quando a segunda onda se sobrepõe à primeira. Se o sensor estiver parado, as duas ondas estão perfeitamente alinhadas. Mas se o sensor estiver se movendo, eles criam um padrão de interferência, pois os picos e vales de suas ondas se anulam em alguns lugares. Esse padrão revela o tamanho e a velocidade das vibrações no sensor.
Geralmente em sistemas de interferometria, quanto mais longe a luz viaja, mais preciso o sistema se torna. O sistema de interferometria mais sensível do planeta, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, envia luz em jornadas de 8 quilômetros. Mas isso não vai caber em um smartphone.
Para permitir alta precisão em sensores optomecânicos miniaturizados, a equipe de Zhang explorou o emaranhamento quântico. Em vez de dividir a luz uma vez para que refletisse em um sensor e um espelho, eles dividiram cada feixe uma segunda vez para que a luz refletisse em dois sensores e dois espelhos. Dalziel Wilson, professor assistente de ciências ópticas da Universidade do Arizona, juntamente com seus alunos de doutorado Aman Agrawal e Christian Pluchar, construíram os dispositivos de membrana. Essas membranas, com apenas 100 nanômetros – ou 0,0001 milímetros – de espessura, se movem em resposta a forças muito pequenas.
Duplicar os sensores melhora a precisão, pois as membranas devem estar vibrando em sincronia umas com as outras, mas o emaranhamento adiciona um nível extra de coordenação. O grupo de Zhang criou o emaranhado “apertando” a luz do laser. Em objetos mecânicos quânticos, como os fótons que compõem a luz, há um limite fundamental de quão bem a posição e o momento de uma partícula podem ser conhecidos. Como os fótons também são ondas, isso se traduz na fase da onda (onde ela está em sua oscilação) e em sua amplitude (quanta energia ela carrega).
“A compressão redistribui a incerteza, de modo que a componente comprimida é conhecida com mais precisão, e a componente anticompressão carrega mais incerteza. Comprimimos a fase porque era isso que precisávamos saber para nossa medição”, disse Yi Xia, um doutorado recente graduou-se no laboratório de Zhang na Universidade do Arizona e co-autor correspondente do artigo.
Na luz espremida, os fótons estão mais relacionados entre si. Zhang comparou o que acontece quando os fótons passam por um divisor de feixe com carros chegando a uma bifurcação na rodovia.
“Você tem três carros indo para um lado e três carros indo para o outro. Mas na superposição quântica, cada carro vai para os dois lados. Agora os carros à esquerda estão emaranhados com os carros à direita”, disse ele.
Como as flutuações nos dois feixes emaranhados estão ligadas, as incertezas em suas medições de fase estão correlacionadas. Como resultado, com alguma magia matemática, a equipe conseguiu obter medições 40% mais precisas do que com dois feixes não emaranhados, e eles podem fazer isso 60% mais rápido. Além disso, espera-se que a precisão e a velocidade aumentem proporcionalmente ao número de sensores.
“Prevê-se que uma série de sensores aprimorados por emaranhamento oferecerá ganho de desempenho de ordens de grandeza sobre a tecnologia de detecção existente para permitir a detecção de partículas além do modelo físico atual, abrindo a porta para um novo mundo que ainda está para ser observado. “, disse Zhang.
Os próximos passos da equipe são miniaturizar o sistema. Eles já podem colocar uma fonte de luz espremida em um chip com apenas meio centímetro de lado. Eles esperam ter um protótipo de chip com a fonte de luz comprimida, divisores de feixe, guias de onda e sensores inerciais dentro de um ano ou dois.
O estudo foi financiado pelo Escritório de Pesquisa Naval, National Science Foundation, Departamento de Energia e Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa.
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