Físicos na Austrália e na Grã-Bretanha remodelaram 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-precisas usadas em navegação, medicina e astronomia.
O princípio da incerteza de Heisenberg, introduzido em 1927, afirma que não se pode conhecer certos pares de propriedades – como a posição e o momento de uma partícula – com precisão ilimitada ao mesmo tempo. Em outras palavras, existe sempre uma troca de incerteza: quanto mais precisamente uma propriedade é determinada, 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 mostrou como engenhar uma troca diferente para medir precisamente posição e momento simultaneamente.
“Pense na incerteza como o ar em um balão,” disse o Dr. Tan, um bolsista Sydney Horizon na Faculdade de Ciências. “Você não pode remover sem estourar o balão, mas pode apertá-lo para deslocá-lo. Isso é efetivamente o que fizemos. Empurramos a inevitável incerteza quântica para lugares que não nos importamos (grandes saltos imprecisos na posição e no momento) para que os detalhes finos que nos importam possam ser medidos com mais precisão.”
Os pesquisadores também utilizam a analogia de um relógio para explicar suas descobertas. Pense em um relógio normal com dois ponteiros: o ponteiro das horas e o ponteiro dos minutos. Agora imagine que o relógio tem apenas um ponteiro. Se for o ponteiro das horas, você pode saber que horas são e aproximadamente que 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 um detalhe muito mais fino.
“Aplicando essa estratégia em sistemas quânticos, podemos medir as mudanças tanto na posição quanto no momento de uma partícula de maneira muito mais precisa,” disse o primeiro autor Dr. Christophe Valahu, da equipe de Laboratório de Controle Quântico da Universidade de Sydney. “Nós 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 com correção de erros, um resultado recentemente publicado na Nature Physics.
“É uma transição interessante da computação quântica para a sensorização,” disse o coautor Professor Nicolas Menicucci, um teórico da Universidade RMIT. “Ideias inicialmente concebidas para computadores quânticos robustos podem ser reaproveitadas para que os sensores captem sinais mais fracos sem serem sobrecarregados 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 com correção de erros. Com isso, mostraram que tanto a posição quanto o momento podem ser medidos juntos com uma precisão além do ‘limite quântico padrão’ – o melhor alcançado apenas com sensores clássicos.
“Nós não quebramos o princípio de Heisenberg. Nosso protocolo funciona inteiramente dentro da mecânica quântica,” disse o Dr. Ben Baragiola, coautor da RMIT. “O esquema é otimizado para sinais pequenos, onde detalhes finos importam mais do que os grandes.”
Por que isso é importante
A capacidade de detectar mudanças extremamente pequenas é importante em várias áreas da ciência e tecnologia. Sensores quânticos ultra-precisos poderiam aprimorar a navegação em ambientes onde o GPS não funciona (como submarinos, subterrâneos ou voos espaciais); melhorar a imagem biológica e médica; monitorar materiais e sistemas gravitacionais; ou investigar a física fundamental.
Embora ainda esteja em fase de laboratório, o experimento demonstra uma nova estrutura para futuras tecnologias de sensoriamento direcionadas à medição de sinais minúsculos. Em vez de substituir as abordagens existentes, ele acrescenta uma ferramenta complementar à caixa de ferramentas de sensoriamento quântico.
“Assim como os relógios atômicos transformaram a navegação e as telecomunicações, sensores aprimorados quânticamente com sensibilidade extrema podem permitir toda uma nova indústria,” disse o Dr. 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 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 o Dr. Tan.
