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 na incerteza: quanto mais precisamente uma propriedade é determinada, menor a certeza sobre a outra.

Em uma pesquisa publicada em 24 de setembro na Science Advances, uma equipe liderada pelo Dr. Tingrei Tan do Instituto de Nanociência da Universidade de Sydney e da Escola de Física demonstrou como projetar uma troca diferente para medir com precisão a posição e o momento simultaneamente.

“Pense na incerteza como o ar em um balão”, disse Dr. Tan, um bolsista do Sydney Horizon na Faculdade de Ciência. “Você não pode removê-la sem estourar o balão, mas pode espremê-la para deslocá-la. Isso é efetivamente o que fizemos. Empurramos a incerteza quântica inevitável para lugares que não nos importamos (saltos grandes e brutos em posição e momento), para que os detalhes finos que nos importamos possam ser medidos com mais precisão.”

A equipe de pesquisadores também usa a analogia de um relógio para explicar suas descobertas. Pense em um relógio normal com duas mãos: a mão das horas e a mão dos minutos. Agora imagine que o relógio tem apenas uma mão. Se for a mão das horas, você pode saber que horas são e mais ou menos que minutos, mas a leitura dos minutos será muito imprecisa. Se o relógio tiver apenas a mão dos minutos, você pode ler os minutos com muita precisão, mas perde a noção do contexto maior – especificamente, qual hora está. Essa medição ‘modular’ sacrifica algumas informações globais em troca de um detalhe muito mais fino.

“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 do Laboratório de Controle Quântico da Universidade de Sydney. “Desistimos 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 apresentada teoricamente em 2017. Aqui, a equipe do Dr. Tan realizou a primeira demonstração experimental utilizando uma abordagem tecnológica que haviam desenvolvido anteriormente para computadores quânticos com correção de erros, um resultado recentemente publicado em 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 concebidas para computadores quânticos robustos podem ser reaproveitadas para que sensores captem sinais mais fracos sem serem abafados pelo ruído quântico.”

A equipe de Sydney implementou o protocolo de sensoriamento utilizando o movimento vibracional minúsculo de um íon aprisionado – o equivalente quântico de um pêndulo. Eles prepararam o íon em “estados de grade”, um tipo de estado quântico desenvolvido originalmente para computação quântica com 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 alcançável 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, subterrâneo ou viagens espaciais); melhorar a imagem biológica e médica; monitorar materiais e sistemas gravitacionais; ou investigar a física fundamental.

Embora ainda esteja em estágio laboratorial, o experimento demonstra uma nova estrutura para futuras tecnologias de sensoriamento direcionadas à medição de pequenos sinais. Em vez de substituir abordagens existentes, acrescenta uma ferramenta complementar ao conjunto de ferramentas de sensoriamento quântico.

“Assim como os relógios atômicos transformaram a navegação e as telecomunicações, sensores aprimorados quânticamente com sensibilidade extrema poderiam possibilitar a criação de novas indústrias inteiras”, 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. 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 Dr. Tan.