Físicos na Austrália e na Grã-Bretanha reconfiguraram a incerteza quântica para contornar a restrição imposta pelo famoso princípio da incerteza de Heisenberg – um resultado que pode fundamentar futuras tecnologias de sensores ultra-precisos utilizadas em navegação, medicina e astronomia.
O princípio da incerteza de Heisenberg, introduzido em 1927, afirma que não é possível 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 precisamente uma propriedade é definida, menos certeza há sobre a outra.
Em uma pesquisa publicada em 24 de setembro na Science Advances, uma equipe liderada pelo Dr. Tingrei Tan do Instituto Nano da Universidade de Sydney e da Escola de Física demonstrou como engenharia uma troca diferente para medir com precisão a posição e o momento ao mesmo tempo.
“Pense na incerteza como ar dentro de um balão,” disse Dr. Tan, um Bolsista Horizon de Sydney na Faculdade de Ciências. “Você não pode removê-la sem estourar o balão, mas pode apertá-la para mudar sua forma. Isso é efetivamente o que fizemos. Empurramos a inevitável incerteza quântica para lugares que não nos importamos (grandes oscilações em posição e momento) para que os detalhes finos que realmente importam possam ser medidos com mais precisão.”
Os pesquisadores também usam a analogia de um relógio para explicar suas descobertas. Pense em um relógio comum com duas ponteiros: o ponteiro das horas e o ponteiro dos minutos. Agora imagine que o relógio tem apenas uma ponteiro. Se for o ponteiro das horas, você pode ver que horas são e ter uma noção aproximada dos minutos, mas a leitura dos minutos será muito imprecisa. Se o relógio tiver apenas o ponteiro dos minutos, você pode ler os minutos com muita precisão, mas perde o 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 de Laboratório de Controle Quântico da Universidade de Sydney. “Abrimos mão de informações globais, mas ganhamos a capacidade de detectar pequenas mudanças com uma sensibilidade sem precedentes.”
Ferramentas de computação quântica para um novo protocolo de sensoriamento
Essa estratégia foi delineada teoricamente em 2017. Aqui, a equipe do Dr. Tan realizou a primeira demonstração experimental usando uma abordagem tecnológica que haviam desenvolvido anteriormente para computadores quânticos de correção de erros, um resultado recentemente publicado na Nature Physics.
“É uma transição interessante da computação quântica para o sensoriamento,” disse o coautor Professor Nicolas Menicucci, um teórico da RMIT University. “Ideias inicialmente projetadas para computadores quânticos robustos podem ser reaproveitadas para que sensores captem sinais mais fracos sem serem submersos pelo ruído quântico.”
A equipe de Sydney implementou o protocolo de sensoriamento usando o pequeno movimento vibracional de um íon aprisionado – o equivalente quântico de um pêndulo. Eles prepararam o íon em “estados de grade”, um tipo de estado quântico originalmente desenvolvido para computação quântica de correção de erros. Com isso, mostraram que tanto a posição quanto o momento podem ser medidos juntos com precisão além do ‘limite quântico padrão’ – o melhor que pode ser alcançado usando apenas sensores clássicos.
“Não quebramos o princípio de Heisenberg. Nosso protocolo funciona inteiramente dentro da mecânica quântica,” disse Dr. Ben Baragiola, coautor da RMIT. “O esquema é otimizado para sinais pequenos, onde detalhes finos importam mais do que os grosseiros.”
Por que isso é importante
A capacidade de detectar mudanças extremamente pequenas é importante em toda a ciência e tecnologia. Sensores quânticos ultra-precisos poderiam aprimorar a navegação em ambientes onde o GPS não funciona (como submarinos, subterrâneos ou voos no espaço); melhorar a imagem biológica e médica; monitorar materiais e sistemas gravitacionais; ou investigar a física fundamental.
Embora ainda esteja em estágio de laboratório, o experimento demonstra uma nova estrutura para futuras tecnologias de sensoriamento voltadas para medir pequenos sinais. Em vez de substituir abordagens existentes, ele acrescenta uma ferramenta complementar ao conjunto de ferramentas de sensoriamento quântico.
“Assim como os relógios atômicos transformaram a navegação e as telecomunicações, sensores melhorados quânticos com sensibilidade extrema poderiam permitir novas indústrias,” disse Dr. Valahu.
Um esforço colaborativo
Este projeto uniu experimentalistas da Universidade de Sydney com teóricos da RMIT, da Universidade de Melbourne, da Universidade de Macquarie e da Universidade de Bristol na Grã-Bretanha. Ele demonstra como a colaboração entre instituições e países pode acelerar o progresso e fortalecer a comunidade de pesquisa quântica da Austrália.
“Este trabalho destaca o poder da colaboração e as conexões internacionais que impulsionam a descoberta,” disse Dr. Tan.
