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Nada na ciência pode ser alcançado ou compreendido sem medição. Hoje, graças aos avanços na detecção quântica, os cientistas podem medir coisas que antes eram impossíveis de sequer imaginar: vibrações de átomos, propriedades de fótons individuais, flutuações associadas a ondas gravitacionais.
Um truque mecânico quântico chamado “spin squeezing” é amplamente reconhecido como promissor para sobrecarregar as capacidades dos sensores quânticos mais precisos do mundo, mas tem sido notoriamente difícil de ser alcançado. Em uma nova pesquisa, físicos de Harvard descrevem como eles colocaram o spin squeezing em melhor alcance.
Um tipo de emaranhamento quântico, o spin squeezing restringe a maneira como um conjunto de partículas pode flutuar. Isso permite medições mais precisas de certos sinais observáveis, às custas de medir outros sinais complementares com a mesma precisão — pense em como espremer um balão produz mais altura às custas de largura.
“A mecânica quântica pode melhorar a nossa capacidade de medir sinais muito pequenos”, disse Norman Yao, professor de física e autor do novo artigo sobre compressão de spin em Física da Natureza. “Mostramos que é possível obter essa metrologia aprimorada quântica em uma classe muito mais ampla de sistemas do que se pensava anteriormente.”
Na metáfora do balão, um círculo representa a incerteza intrínseca a qualquer medição quântica, explicou Maxwell Block, coautor do artigo e ex-aluno da Griffin Graduate School of Arts and Sciences. “Ao comprimir essa incerteza, tornando o balão mais parecido com uma elipse, pode-se remodelar a sensibilidade das medições”, disse Block. “Isso significa que certas medições podem ser mais precisas do que qualquer coisa que alguém poderia fazer sem a mecânica quântica.”
Um análogo de compressão de spin foi usado, por exemplo, para aumentar a sensibilidade dos detectores de ondas gravitacionais ganhadores do prêmio Nobel no experimento LIGO.
O trabalho da equipe de Harvard foi construído com base em um artigo histórico de 1993 que descreveu pela primeira vez a possibilidade de um estado emaranhado e espremido por spin, provocado por interações “todos para todos” entre átomos. Essas interações são semelhantes a uma grande reunião do Zoom, na qual cada participante está interagindo com todos os outros participantes ao mesmo tempo. Entre átomos, esse tipo de conectividade permite facilmente o acúmulo de correlações mecânicas quânticas necessárias para induzir um estado espremido por spin. No entanto, na natureza, os átomos normalmente interagem de uma forma que é mais como um jogo de telefone, falando apenas com alguns vizinhos por vez.
“Por anos, pensou-se que só se pode obter um spin squeezing verdadeiramente aprimorado quântico por meio de interações de todos para todos”, disse Bingtian Ye, coautor principal do artigo e também ex-aluno da Griffin Graduate School of Arts and Sciences. “Mas o que mostramos é que, na verdade, é muito mais fácil.”
Em seu artigo, os pesquisadores descrevem uma nova estratégia para gerar emaranhamento spin-squeezed. Eles intuíram, e junto com colaboradores na França rapidamente confirmaram por meio de experimentos que os ingredientes para spin squeezing estão presentes em um tipo onipresente de magnetismo encontrado frequentemente na natureza — ferromagnetismo, que também é a força que faz os ímãs de geladeira grudarem. Eles postulam que interações de todos para todos não são necessárias para atingir spin squeezing, mas sim, desde que os spins estejam conectados bem o suficiente para sincronizar em um estado magnético, eles também devem ser capazes de gerar dinamicamente spin squeezing.
Os pesquisadores estão otimistas de que, ao reduzir a barreira à compressão de spin, seu trabalho inspirará novas maneiras para cientistas e engenheiros quânticos criarem sensores mais portáteis, úteis em imagens biomédicas, relógios atômicos e muito mais.
Com esse espírito, Yao agora está liderando experimentos para gerar compressão de spin em sensores quânticos feitos de centros de vacância de nitrogênio, que são um tipo de defeito na estrutura cristalina do diamante que há muito são reconhecidos como sensores quânticos ideais.
A pesquisa recebeu apoio federal do: Gabinete de Pesquisa do Exército, Gabinete de Pesquisa Naval, Departamento de Energia, Departamento de Defesa e Fundação Nacional de Ciências.
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