Pesquisadores da Universidade de Basileia e do Laboratório Kastler Brossel mostraram que o emaranhamento quântico pode ser usado para medir múltiplas quantidades físicas simultaneamente com maior precisão do que os métodos tradicionais permitem.
O emaranhamento é frequentemente descrito como um dos efeitos mais misteriosos da física quântica. Quando dois objetos quânticos estão emaranhados, as medições feitas neles podem permanecer fortemente acopladas, mesmo quando os objetos estão distantes. Estas conexões estatísticas inesperadas não têm explicação na física clássica. O efeito pode parecer como se a medição de um objeto afetasse de alguma forma outro à distância. Este fenômeno, conhecido como paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen, foi confirmado experimentalmente e reconhecido pelo Prêmio Nobel de Física em 2022.
Usando emaranhamento remoto para medições precisas
Com base nesta base, uma equipe liderada pelo Prof. Philippe Troitlein da Universidade de Basel e pela Prof. Alice Sinatra do Laboratório Kastler Brossel (LKB) em Paris demonstrou que o emaranhamento entre objetos quânticos espacialmente separados pode servir a um propósito prático. Seu trabalho mostra que sistemas espacialmente separados, mas emaranhados, podem ser usados para medir vários parâmetros físicos simultaneamente com maior precisão. Os resultados do estudo foram publicados recentemente na revista Science.
“A metrologia quântica, que utiliza efeitos quânticos para melhorar a medição de grandezas físicas, tornou-se hoje uma área de pesquisa de destaque”, diz Troitlein. Há cerca de quinze anos, ele e os seus colaboradores foram dos primeiros a emaranhar as rotações de átomos muito frios. Esses spins, que podem ser imaginados como minúsculas agulhas de bússola, poderiam ser medidos com mais precisão do que se cada átomo se comportasse de forma independente, sem emaranhamento.
“No entanto, todos estes átomos estavam no mesmo lugar,” explica Troitlein: “Agora alargámos este conceito distribuindo os átomos por três nuvens espacialmente separadas. Como resultado, o efeito de emaranhamento funciona à distância, tal como no paradoxo EPR.”
Mapeando campos com nuvens atômicas emaranhadas
Esta abordagem é particularmente útil para estudar quantidades que variam no espaço. Por exemplo, pesquisadores interessados em medir como o campo eletromagnético varia de um lugar para outro podem usar spins atômicos emaranhados fisicamente separados. Tal como acontece com as medições realizadas num único local, o emaranhamento reduz a incerteza resultante dos efeitos quânticos. Também pode eliminar distúrbios que afetam todos os átomos igualmente.
“Até agora, ninguém realizou tais medições quânticas com nuvens atômicas emaranhadas separadas espacialmente, e a base teórica para tais medições também não era clara”, diz Yifan Li, que trabalhou no experimento como pós-doutorado no grupo de Troitlein. Juntamente com colegas da LKB, a equipe estudou como minimizar a incerteza ao usar nuvens emaranhadas para medir a estrutura espacial do campo eletromagnético.
Para fazer isso, os pesquisadores primeiro emaranharam os giros atômicos em uma única nuvem. Eles então dividiram essa 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 significativamente maior do que seria possível sem o emaranhamento espacial.
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 Justen, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Basileia. Nestes relógios, os átomos são mantidos no lugar por raios laser dispostos em uma rede e funcionam como um “mecanismo de relógio” extremamente preciso. Novas técnicas podem reduzir certos erros causados pela distribuição dos átomos na rede, levando a uma temporização mais precisa.
A mesma estratégia também poderia melhorar os interferômetros atômicos usados para medir a aceleração gravitacional da Terra. Em alguns programas, conhecidos como gravímetros, os cientistas concentram-se em como a gravidade muda no espaço. O uso de átomos emaranhados permite que essas variações sejam medidas com maior precisão do que antes.
