Átomos emaranhados distantes agindo como um sensor proporcionam uma precisão impressionante

O emaranhamento é frequentemente descrito como um dos efeitos mais misteriosos da física quântica. Quando dois objetos quânticos estão emaranhados, as medições realizadas neles podem permanecer fortemente ligadas mesmo quando os objetos estão distantes. Estas conexões estatísticas inesperadas não têm explicação na física clássica. O efeito pode parecer que a medição de um objeto influencia de alguma forma o outro à distância. Este fenômeno, conhecido como paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen, foi confirmado experimentalmente e reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2022.

Usando emaranhamento distante para medições de precisão

Com base nesta base, uma equipe liderada pelo Prof. Philipp Treutlein da Universidade de Basel e pela Prof. Alice Sinatra do Laboratoire Kastler Brossel (LKB) em Paris demonstrou que o emaranhamento entre objetos quânticos separados no espaço pode servir a um propósito prático. Seu trabalho mostra que sistemas espacialmente separados, mas emaranhados, podem ser usados ​​para medir vários parâmetros físicos ao mesmo tempo com maior precisão. Os resultados do estudo foram publicados recentemente na revista Science.

“A metrologia quântica, que explora efeitos quânticos para melhorar as medições de quantidades físicas, é agora um campo de investigação estabelecido”, diz Treutlein. Há cerca de quinze anos, ele e seus colaboradores foram dos primeiros a emaranhar os spins de átomos extremamente frios. Esses spins, que podem ser imaginados como minúsculas agulhas de bússola, poderiam então ser medidos com mais precisão do que se cada átomo se comportasse de forma independente, sem emaranhamento.

“No entanto, esses átomos estavam todos no mesmo local”, explica Treutlein: “Agora estendemos este conceito distribuindo os átomos em até três nuvens espacialmente separadas. Como resultado, os efeitos do emaranhamento agem à distância, tal como no paradoxo EPR.”

Mapeando campos com nuvens atômicas emaranhadas

Esta abordagem é especialmente útil para estudar quantidades que variam no espaço. Por exemplo, pesquisadores interessados ​​em medir como um campo eletromagnético muda de um lugar para outro podem usar spins atômicos emaranhados que estão fisicamente separados. Tal como acontece com as medições feitas num único local, o emaranhamento reduz a incerteza que surge dos efeitos quânticos. Também pode cancelar perturbações que afetam todos os átomos da mesma maneira.

“Até agora, ninguém realizou tal medição quântica com nuvens atômicas emaranhadas separadas espacialmente, e a estrutura teórica para tais medições ainda não estava clara”, diz Yifan Li, que trabalhou no experimento como pós-doutorado no grupo de Treutlein. Juntamente com colegas do LKB, a equipe estudou como minimizar a incerteza ao usar nuvens emaranhadas para medir a estrutura espacial de um campo eletromagnético.

Para fazer isso, os pesquisadores primeiro emaranharam os giros atômicos em uma única nuvem. Eles então dividiram aquela nuvem em três partes que permaneceram emaranhadas umas nas outras. Com apenas um pequeno número de medições, eles foram capazes de determinar a distribuição do campo com uma precisão claramente maior do que seria possível sem o emaranhamento no espaço.

Aplicações em Relógios Atômicos e Gravímetros

“Nossos protocolos de medição podem ser aplicados 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 raios laser dispostos em uma rede e funcionam como “mecanismos de relógio” extremamente precisos. Os novos métodos poderiam reduzir erros específicos causados ​​pela forma como os átomos são distribuídos dentro da rede, levando a uma cronometragem mais precisa.

A mesma estratégia também poderia melhorar os interferômetros atômicos, usados ​​para medir a aceleração gravitacional da Terra. Em certas aplicações, conhecidas como gravímetros, os cientistas concentram-se em como a gravidade muda no espaço. O uso de átomos emaranhados permite medir essas variações com maior precisão do que antes.