Pesquisadores da Universidade de Basel e do Laboratoire Kastler Brossel demonstraram que o emaranhamento quântico pode ser utilizado para medir várias quantidades físicas simultaneamente com uma precisão maior do que os métodos tradicionais permitem.
O emaranhamento é muitas vezes descrito como um dos efeitos mais misteriosos da física quântica. Quando dois objetos quânticos estão emaranhados, as medições realizadas sobre eles podem permanecer fortemente conectadas, mesmo quando os objetos estão a grandes distâncias. Essas conexões estatísticas inesperadas não possuem explicação na física clássica. O efeito pode parecer que medir um objeto de alguma forma influencia o outro à distância. Esse fenômeno, conhecido como o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen, foi confirmado experimentalmente e reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2022.
Usando Emaranhamento Distante para Medidas de Precisão
Baseando-se nessa fundamentação, uma equipe liderada pelo Prof. Dr. Philipp Treutlein da Universidade de Basel e pela Prof. Dr. 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 emaranhados, embora espacialmente separados, podem ser utilizados para medir múltiplos parâmetros físicos simultaneamente com maior precisão. Os resultados do estudo foram recentemente publicados na revista Science.
“A metrologia quântica, que explora efeitos quânticos para melhorar medições de quantidades físicas, já é um campo de pesquisa consolidado”, afirma Treutlein. Cerca de quinze anos atrás, ele e seus colaboradores foram alguns dos primeiros a emaranhar os spins de átomos extremamente frios. Esses spins, que podem ser imaginados como pequenas agulhas de bússola, puderam ser medidos com mais precisão do que se cada átomo se comportasse de forma independente, sem emaranhamento.
“No entanto, aqueles átomos estavam todos no mesmo local”, explica Treutlein: “Agora, estendemos esse conceito, distribuindo os átomos em até três nuvens espaçadas. Como resultado, os efeitos do emaranhamento atuam à distância, assim como no paradoxo de EPR.”
Mapeando Campos com Nuvens Atômicas Emaranhadas
Essa abordagem é especialmente útil para estudar quantidades que variam pelo espaço. Por exemplo, pesquisadores interessados em medir como um campo eletromagnético muda de lugar para lugar podem usar spins atômicos emaranhados que estão fisicamente separados. Assim como medições feitas em um único local, o emaranhamento reduz a incerteza que surge de efeitos quânticos. Ele também pode cancelar distúrbios que afetam todos os átomos da mesma maneira.
“Até agora, ninguém havia realizado uma medição quântica com nuvens atômicas emaranhadas e espacialmente separadas, e a estrutura teórica para tais medições ainda não estava clara”, diz Yifan Li, que trabalhou no experimento como pós-doc 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 isso, os pesquisadores primeiro emaranharam os spins atômicos dentro de uma única nuvem. Em seguida, dividiram essa nuvem em três partes que permaneceram emaranhadas umas com as outras. Com apenas um pequeno número de medições, conseguiram determinar a distribuição do campo com uma precisão claramente superior à que seria possível sem o emaranhamento pelo espaço.
Aplicações em Relógios Atômicos e Gravímetros
“Nossos protocolos de medição podem ser aplicados diretamente a instrumentos de precisão existentes, como os relógios de rede óptica”, diz Lex Joosten, doutorando no grupo de Basel. Nesses relógios, os átomos são mantidos no lugar por feixes de laser dispostos em uma rede e atuam como “mecanismos” extremamente precisos. Os novos métodos poderiam reduzir erros específicos causados pela forma como os átomos estão distribuídos dentro da rede, levando a uma cronometragem mais precisa.
A mesma estratégia também poderia melhorar interferômetros atômicos, que são usados para medir a aceleração gravitacional da Terra. Em certas aplicações, conhecidas como gravímetros, os cientistas se concentram em como a gravidade varia pelo espaço. Usar átomos emaranhados possibilita medir essas variações com uma precisão maior do que antes.