Heisenberg disse que era impossível. Os cientistas acabaram de provar o contrário

O princípio da incerteza de Heisenberg, introduzido em 1927, diz que você não pode conhecer certos pares de propriedades – como a posição e o momento de uma partícula – com precisão ilimitada ao mesmo tempo. Em outras palavras, sempre há uma troca de incerteza: quanto mais uma propriedade é marcada, menos certeza existe sobre a outra.

Em pesquisa publicada em 24 de setembro em Avanços científicosuma equipe liderada pelo Dr. Tingrei Tan, do Instituto Nano da Universidade de Sydney e da Escola de Física, mostrou como projetar uma troca diferente para medir com precisão a posição e o momento ao mesmo tempo.

“Pense em incerteza como o ar em um balão”, disse o Dr. Tan, membro do Sydney Horizon na Faculdade de Ciência. “Você não pode removê -lo sem estourar o balão, mas pode espremê -lo para mudar isso. Foi efetivamente o que fizemos. Empurramos a inevitável incerteza quântica para lugares com os quais não nos importamos (grandes e grossos saltos em posição e momento), de modo que os detalhes finos dos quais nos importamos podem ser medidos com mais precisão”.

Os pesquisadores também usam a analogia de um relógio para explicar suas descobertas (veja a imagem). Pense em um relógio normal com duas mãos: o ponteiro e o lado minuto. Agora imagine que o relógio tem apenas uma mão. Se for o ponteiro de uma hora, você pode dizer que hora é e aproximadamente em que minuto, mas o minuto de leitura será muito impreciso. Se o relógio tiver apenas o lado minuto, você poderá ler as atas com muita precisão, mas perde o controle do contexto maior – especificamente, em que hora está. Essa medição ‘modular’ sacrifica algumas informações globais em troca de detalhes muito mais finos.

“Ao aplicar essa estratégia em sistemas quânticos, podemos medir as mudanças na posição e no momento de uma partícula com muito mais precisão”, disse o primeiro autor Dr. Christophe Valahu, da equipe do Laboratório de Controle Quantum da Universidade de Sydney. “Desistimos de informações globais, mas adquirimos a capacidade de detectar pequenas mudanças com sensibilidade sem precedentes”.

Ferramentas de computação quântica para um novo protocolo de detecção

Essa estratégia foi delineada teoricamente em 2017. Aqui, a equipe do Dr. Tan realizou a primeira demonstração experimental usando uma abordagem tecnológica que eles haviam desenvolvido anteriormente para computadores quânticos corrigidos por erros, resultado recentemente publicado em Nature Physics.

“É um crossover elegante da computação quântica à detecção”, disse o co-autor, Nicolas Menicucci, teórico da Universidade RMIT. “As idéias foram projetadas para computadores quânticos robustos podem ser reaproveitados para que os sensores captem sinais mais fracos sem serem abafados pelo ruído quântico.

A equipe de Sydney implementou o protocolo de detecção usando o pequeno movimento vibracional de um íon preso – o equivalente quântico de um pêndulo. Eles prepararam o íon em “estados da grade”, um tipo de estado quântico desenvolvido originalmente para a computação quântica corrigida por erros. Com isso, eles mostraram que a posição e o momento podem ser medidos juntamente com a precisão além do ‘limite quântico padrão’ – o melhor possível usando apenas sensores clássicos.

“Não quebramos o princípio de Heisenberg. Nosso protocolo funciona inteiramente dentro da mecânica quântica”, disse o Dr. Ben Baragiola, co-autor da RMIT. “O esquema é otimizado para pequenos sinais, onde detalhes finos importam mais do que os grossos.

Por que isso importa

A capacidade de detectar mudanças extremamente pequenas é importante em toda a ciência e tecnologia. Os sensores quânticos ultra precedentes podem aprimorar a navegação em ambientes onde o GPS não funciona (como submarinos, subterrâneo ou voo espacial); melhorar imagens biológicas e médicas; monitorar materiais e sistemas gravitacionais; ou sonda física fundamental.

Enquanto ainda está no estágio de laboratório, o experimento demonstra uma nova estrutura para futuras tecnologias de detecção direcionadas para medir pequenos sinais. Em vez de substituir as abordagens existentes, ele adiciona uma ferramenta complementar à caixa de ferramentas de detecção quântica.

“Assim como os relógios atômicos transformaram a navegação e as telecomunicações, sensores com extrema sensibilidade, com extrema sensibilidade, podem permitir novas indústrias”, disse Valahu.

Um esforço colaborativo

Este projeto uniu experimentalistas da Universidade de Sydney com teóricos da RMIT, da Universidade de Melbourne, da Universidade Macquarie e da Universidade de Bristol, na Grã -Bretanha. Ele mostra como a colaboração entre instituições e fronteiras pode acelerar o progresso e fortalecer a comunidade de pesquisa quântica da Austrália.

“Este trabalho destaca o poder da colaboração e das conexões internacionais que impulsionam a descoberta”, disse Tan.