Átomos remotos entrelaçados funcionando como um único detector oferecem precisão impressionante

O entrelaçamento é frequentemente descrito como um dos efeitos mais misteriosos da física quântica. Quando dois objetos quânticos estão entrelaçados, as medições realizadas sobre eles podem permanecer fortemente ligadas, mesmo quando os objetos estão distantes. Essas conexões estatísticas inesperadas não têm explicação na física clássica. O efeito pode parecer que medir um objeto influencia de alguma forma o outro à distância. Esse fenômeno, conhecido como o paradoxo Einstein-Podolsky-Rosen, foi confirmado experimentalmente e reconhecido com o Prêmio Nobel de Física de 2022.

Usando o Entrelaçamento Distant para Medições de Precisão

Com base nessa fundação, uma equipe liderada pelo Prof. Dr. Philipp Treutlein da Universidade de Basileia e pela Prof. Dr. Alice Sinatra do Laboratoire Kastler Brossel (LKB) em Paris demonstrou que o entrelaçamento entre objetos quânticos separados no espaço pode servir a um propósito prático. Seu trabalho mostra que sistemas entrelaçados, mas spatialmente separados, podem ser usados para medir múltiplos parâmetros físicos ao mesmo tempo com precisão aprimorada. 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 estabelecido,” diz Treutlein. Há cerca de quinze anos, ele e seus colaboradores estavam entre os primeiros a entrelaçar os spins de átomos extremamente frios. Esses spins, que podem ser imaginados como pequenas agulhas de bússola, poderiam então ser medidos com maior precisão do que se cada átomo se comportasse independentemente, sem entrelaçamento.

“No entanto, aqueles átomos estavam todos na mesma localização,” explica Treutlein: “Agora estendemos esse conceito ao distribuir os átomos em até três nuvens separadas espacialmente. Como resultado, os efeitos do entrelaçamento atuam à distância, assim como no paradoxo EPR.”

mapeamento de Campos com Nuvens Atômicas Entrelaçadas

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 entrelaçados que estão fisicamente separados. Assim como medições feitas em um único local, o entrelaçamento reduz a incerteza que surge dos efeitos quânticos. Também pode cancelar distúrbios que afetam todos os átomos de maneira similar.

“Até agora, ninguém havia realizado tal medição quântica com nuvens atômicas entrelaçadas e separadas espacialmente, e a estrutura teórica para tais medições também ainda não estava clara,” diz Yifan Li, que trabalhou no experimento como pós-doutorando no grupo de Treutlein. Junto com colegas do LKB, a equipe estudou como minimizar a incerteza ao usar nuvens entrelaçadas para medir a estrutura espacial de um campo eletromagnético.

Para fazer isso, os pesquisadores primeiro entrelaçaram os spins atômicos dentro de uma única nuvem. Eles então dividiram essa nuvem em três partes que permaneceram entrelaçadas umas com as outras. Com apenas um pequeno número de medições, conseguiram determinar a distribuição do campo com precisão claramente superior à que seria possível sem entrelaçamento pelo espaço.

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 Joosten, doutorando do grupo de Basileia. Nesses relógios, os átomos são mantidos no lugar por feixes de laser dispostos em uma rede e servem 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 focam em como a gravidade muda pelo espaço. O uso de átomos entrelaçados torna possível medir essas variações com maior precisão do que antes.