Traduzido por Julio Batista
Original de Mike McRae para o ScienceAlert
Determinar a passagem do tempo em nosso mundo de relógios e pêndulos oscilantes é um caso simples de contar os segundos entre ‘antes’ e ‘agora’.
Na escala quântica de elétrons vibrantes, no entanto, o ‘antes’ nem sempre pode ser antecipado. Pior ainda, o ‘agora’ muitas vezes se confunde em uma névoa de imprecisão. Um cronômetro simplesmente não funcionará em alguns cenários.
Uma solução potencial poderia ser encontrada na própria forma do mar de imprecisão quântica, de acordo com um estudo de 2022 realizado por pesquisadores da Universidade de Uppsala, na Suécia.
Seus experimentos sobre a natureza ondulatória de algo chamado estado de Rydberg revelaram uma nova maneira de medir o tempo que não requer um ponto de partida preciso.
Os átomos de Rydberg são como balões inflados demais no reino das partículas. Inchados com lasers em vez de ar, esses átomos contêm elétrons em estados de energia extremamente altos, orbitando longe do núcleo.
É claro que nem toda exposição de laser precisa inflar um átomo até proporções exageradas. Na verdade, os lasers são usados rotineiramente para levar elétrons a estados de energia mais altos para uma variedade de usos.
Em algumas aplicações, um segundo laser pode ser usado para monitorar as mudanças na posição do elétron, incluindo a passagem do tempo. Essas técnicas de ‘bombeio e prova‘ podem ser usadas para medir a velocidade de certos eletrônicos ultrarrápidos, por exemplo.
Induzir átomos em estados de Rydberg é um truque útil para engenheiros, principalmente quando se trata de projetar novos componentes para computadores quânticos. Desnecessário dizer que os físicos acumularam uma quantidade significativa de informações sobre a maneira como os elétrons se movem quando colocados em um estado de Rydberg.
Sendo parte do reino quântico, porém, seus movimentos são menos como pedras deslizando em um minúsculo ábaco e mais como uma noite na mesa de roleta no cassino, onde cada lançamento e jogada da bola faz parte de um único jogo de azar.
O livro de regras matemáticas por trás desse jogo de roleta de elétrons de Rydberg é chamado de conjunto de ondas de Rydberg.
Assim como as ondas reais, ter mais de um conjunto de ondas de Rydberg ondulando em um espaço cria interferência, resultando em padrões únicos de ondulações. Ao jogar um conjunto de ondas Rydberg suficientes na mesma região, teremos cada um desses padrões únicos representando o tempo distinto que leva para os conjuntos de ondas evoluírem de acordo um com o outro.
Foram essas mesmas “assinaturas” do tempo que os físicos por trás desse conjunto de experimentos começaram a testar, mostrando que eram consistentes e confiáveis o suficiente para servir como uma forma de marcação quântica de tempo.
Sua pesquisa envolveu a medição dos resultados de átomos de hélio expostos a laser e a comparação de suas descobertas com previsões teóricas para mostrar como seus resultados de assinatura poderiam permanecer por um período de tempo.
“Se você está usando um contador, precisa definir zero. Você começa a contar em algum momento”, explicou a física Marta Berholts, da Universidade de Uppsala, na Suécia, que liderou a equipe, à New Scientist em 2022.
“O benefício disso é que você não precisa iniciar o relógio – basta olhar para a estrutura de interferência e dizer ‘ok, já se passaram 4 nanossegundos’.”
Um guia de conjuntos de ondas de Rydberg em evolução poderia ser usado em combinação com outras formas de espectroscopia de bombeio e prova que medem eventos em uma escala minúscula, quando de vez em quando são menos claros ou simplesmente muito inconvenientes para medir.
É importante ressaltar que nenhuma das assinaturas requer um ‘antes’ e ‘agora’ para servir como ponto de partida e parada no tempo. Seria como medir a corrida de um velocista desconhecido contra vários competidores correndo em velocidades definidas.
Ao procurar a assinatura de estados interferentes de Rydberg em meio a uma amostra de átomos de bombeamento, os técnicos puderam observar uma marcação de data/hora para eventos tão fugazes quanto apenas 1,7 trilionésimos de segundo.
Futuros experimentos de relógios quânticos podem substituir o hélio por outros átomos, ou até mesmo usar pulsos de laser de diferentes energias, para ampliar o guia de marcação de data/hora para atender a uma ampla gama de condições.
Esta pesquisa foi publicada na Physical Review Research.
