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Pesquisadores afiliados ao centro de pesquisa quântica Q-NEXT mostram como criar redes quânticas emaranhadas de relógios atômicos e acelerômetros – e demonstram o desempenho superior de alta precisão da configuração.
O que aconteceu
Pela primeira vez, os cientistas emaranharam átomos para uso como sensores quânticos em rede, especificamente, relógios atômicos e acelerômetros.
A configuração experimental da equipe de pesquisa produziu medições ultraprecisas de tempo e aceleração. Em comparação com uma configuração semelhante que não se baseia em emaranhamento quântico, suas medições de tempo foram 3,5 vezes mais precisas e as medições de aceleração exibiram precisão 1,2 vezes maior.
O resultado, publicado na Natureza, é apoiado pelo Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia (DOE) liderado pelo Laboratório Nacional de Argonne do DOE. A pesquisa foi conduzida por cientistas da Universidade de Stanford, da Universidade de Cornell e do Laboratório Nacional Brookhaven do DOE.
“O impacto do uso do emaranhamento nessa configuração foi que ele produziu um melhor desempenho da rede de sensores do que estaria disponível se o emaranhamento quântico não fosse usado como um recurso”, disse Mark Kasevich, principal autor do artigo, membro do Q-NEXT, o professor William R. Kenan, Jr. na Stanford School of Humanities and Sciences e professor de física e de física aplicada. “Para relógios atômicos e acelerômetros, a nossa é uma demonstração pioneira.”
O que é emaranhamento quântico? Como se aplica aos sensores?
- O emaranhamento, uma propriedade especial da natureza no nível quântico, é uma correlação entre dois ou mais objetos. Quando dois átomos estão emaranhados, pode-se medir as propriedades de ambos os átomos observando apenas um. Isso é verdade, não importa quanta distância – mesmo que sejam anos-luz – separe os átomos emaranhados.
- Uma analogia útil para o dia a dia: uma bola de gude vermelha e uma bola de gude azul são colocadas em uma caixa. Se você tirar uma bolinha vermelha da caixa, você sabe, sem ter que olhar para a outra, que ela é azul. A cor das bolinhas está correlacionada ou emaranhada.
- No reino quântico, o emaranhamento é mais sutil. Um átomo pode assumir vários estados (cores) ao mesmo tempo. Se nossas bolas de gude fossem como átomos, cada bola de gude seria vermelha e azul ao mesmo tempo. Nenhum deles é totalmente vermelho ou azul enquanto está na caixa. O mármore quântico “decide” sua cor apenas no momento da revelação. E uma vez que você tira uma bola de gude de cor “decidida”, você conhece a cor de seu parceiro emaranhado.
- Fazer uma medição de um membro de um par emaranhado é efetivamente fazer uma leitura simultânea de ambos.
- Indo além: dois relógios emaranhados são praticamente equivalentes a um único relógio com dois monitores. Medições de tempo feitas usando relógios emaranhados podem ser mais precisas do que medições de dois relógios separados e sincronizados.
Por que isso importa
Maior sensibilidade em relógios atômicos e acelerômetros levaria a sistemas de cronometragem e navegação mais precisos, como os usados em sistemas de posicionamento global, em defesa e em comunicações de transmissão. Relógios ultraprecisos também são usados em finanças e comércio.
“O GPS me diz onde estou a cerca de um metro agora”, disse Kasevich. “Mas e se eu quisesse saber onde eu estava dentro de 10 centímetros? Esse é o impacto de relógios melhores.”
Uma nota sobre relógios ultraprecisos
Pode-se marcar a passagem do tempo contando o número de pulsos em uma onda eletromagnética, assim como você contaria os tiques de um relógio. Se você sabe que uma determinada onda pulsa 6 bilhões de vezes por segundo, sabe que, depois de contar 6 bilhões de cristas da onda, um segundo se passou. Portanto, saber a frequência exata de um micro-ondas fornece uma maneira precisa de rastrear o tempo.
Como funciona
O emaranhado: Os átomos de rubídio, presos dentro de uma cavidade, são separados em dois grupos de cerca de 100.000 átomos cada. Os grupos sentam-se entre dois espelhos. A luz é feita para saltar para frente e para trás entre os espelhos, traçando seu caminho através dos grupos de átomos a cada disparo. A luz ricocheteante os emaranha.
A detecção: Uma micro-ondas ondula através dos dois grupos de átomos. Os átomos que ressoam com a frequência específica da micro-ondas respondem mudando para um estado diferente, como a taça de vinho que vibra quando uma soprano atinge a nota certa.
Da mesma forma, quando uma aceleração particular é aplicada aos grupos atômicos, alguma fração dos átomos em cada grupo responde mudando de estado.
A medida: Os dois grupos atômicos emaranhados se comportam como duas faces de um único relógio, ou duas leituras de um acelerômetro.
A equipe de pesquisa mediu o número de átomos que mudaram de estado – aqueles que vibraram como uma taça de vinho – em cada grupo.
Em seguida, eles usaram os números para calcular a diferença nas frequências de micro-ondas aplicadas aos dois grupos e, portanto, a diferença nas leituras de tempo ou aceleração dos grupos.
Maior precisão: A equipe de Kasevich descobriu que o emaranhamento melhora a precisão na frequência ou diferença de aceleração lida pelos monitores.
Em sua configuração, a medição do tempo em dois locais era 3,5 vezes mais precisa quando os relógios estavam emaranhados do que se estivessem operando independentemente. Para aceleração, a medição foi 1,2 vezes mais precisa com emaranhamento.
Impacto
“Se você quiser saber quanto tempo algo leva, você pode olhar para um relógio como ponto de partida e depois correr para outra sala para olhar para outro relógio, o ponto final”, disse Kasevich. “Nosso método explora o princípio do emaranhamento para tornar essa comparação o mais precisa possível.”
Os pesquisadores também conectaram com sucesso quatro grupos de átomos em quatro locais separados usando essa configuração.
No experimento da equipe, os dois grupos de átomos foram separados por cerca de 20 micrômetros, quase a largura média de um fio de cabelo humano.
Seu trabalho significa que o tempo ou a aceleração podem ser comparados, com sensibilidade sem precedentes, entre quatro locais separados, embora próximos.
“No futuro, queremos empurrá-los para distâncias maiores. O mundo quer relógios cujo tempo possa ser comparado. É o mesmo com acelerômetros. Existem configurações de detecção onde você deseja ser capaz de ler a diferença na aceleração de um grupo em relação a outro. Conseguimos mostrar como fazer isso”, disse Kasevich.
“Este é um resultado tour de force de Mark e sua equipe”, disse a vice-diretora da Q-NEXT, JoAnne Hewett, que também é diretora associada do SLAC National Accelerator Laboratory de física fundamental e diretora de pesquisa, além de professora de física de partículas em Stanford. e astrofísica. “Isso significa que podemos aproveitar o emaranhamento para desenvolver sensores muito mais poderosos do que os que usamos hoje.
Este trabalho foi financiado pelo Office of Science National Quantum Information Science Research Centers do DOE como parte do centro Q-NEXT.
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