Físicos criaram um relógio extremamente preciso que marca o tempo usando emaranhamento quântico

0
370
Créditos: Massimo Ravera / Moment / Getty Images.

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

Nada marca o tempo tão bem como o coração de um átomo batendo. Mas mesmo o tique-taque de um núcleo vibrante é limitado pelas incertezas impostas pelas leis da mecânica quântica.

Muitos anos atrás, pesquisadores do MIT e da Universidade de Belgrado, na Sérvia, propuseram que o emaranhamento quântico poderia empurrar os relógios para além desta fronteira imprecisa.

Agora, temos uma prova de conceito na forma de um experimento. Os físicos conectaram uma nuvem de átomos de itérbio-171 com fluxos de fótons refletidos de uma sala de espelhos ao redor e mediram o tempo de seus minúsculos movimentos.

Seus resultados mostram que o emaranhamento de átomos dessa maneira pode acelerar o processo de medição do tempo dos relógios nucleares atômicos, tornando-os mais precisos do que nunca. Em princípio, um relógio baseado nesta nova abordagem teria um prejuízo de apenas 100 milissegundos desde os inícios dos tempos.

Semelhante a outros relógios de última geração baseados nos núcleos dos átomos de césio e tório, o tempo nesse tipo de configuração é dividido pelas oscilações em um núcleo de itérbio depois que ele absorve uma energia de luz específica.

Uma vez que o núcleo do itérbio pode ser feito para zumbir a uma taxa 100.000 vezes mais rápida do que o núcleo de um átomo de césio, ele é um mecanismo de cronometragem muito mais preciso.

Mas chega um ponto em que a física quântica diz que é impossível dizer exatamente onde as oscilações de um átomo começam e param. Este Limite Quântico Padrão (SQL) atua de forma tênue no pêndulo atômico; você pode ter um relógio mais rápido, mas de que adianta se você nem consegue medi-lo?

Sem uma maneira de superar esse obstáculo, realmente não importa se trocamos um conjunto de núcleos atômicos por um tipo mais preciso – essa confusão quântica estabelece um limite rígido para a precisão dos relógios atômicos.

Um truque é registrar as frequências de vários átomos zumbindo ao mesmo tempo dentro de uma rede que consiste em centenas de minúsculos pêndulos atômicos. As tecnologias atuais de relógio atômico usam lasers projetados para serem o mais estáveis ​​possível, fornecendo a cada átomo uma frequência de luz extremamente semelhante. Ao combinar sua indefinição coletiva, as incertezas individuais se tornam médias.

Este novo método vai um passo além da média neste processo. Ao conectar os átomos de uma forma que emaranha as probabilidades quânticas de seus spins, é possível redistribuir a incerteza no sistema, aumentando a precisão em algumas partes em detrimento de outras.

“É como se a luz servisse como um elo de comunicação entre os átomos”, disse o físico do MIT Chi Shu.

“O primeiro átomo que vê esta luz vai modificar ligeiramente a luz, e essa luz também modifica o segundo átomo, e o terceiro átomo, e através de muitos ciclos, os átomos se conhecem coletivamente e começam a se comportar de forma semelhante”.

Não importa qual método seja usado, quanto mais você ouvir os zumbidos, mais preciso será o resultado final. Neste caso, a equipe descobriu que o emaranhamento tornou o processo de medição cerca de três vezes mais rápido em comparação com os relógios atuando no SQL.

Isso pode não parecer algo tão dramático, mas um aumento de velocidade pode ser exatamente o que precisamos para estudar algumas das influências mais sutis que o Universo tem no tempo.

“Conforme o Universo envelhece, a velocidade da luz muda? A carga do elétron muda?” disse o pesquisador principal Vladan Vuletic, do MIT.

“Isso é o que você pode sondar com relógios atômicos mais precisos”.

Poderia até nos permitir encontrar o ponto em que a relatividade geral se desintegra, apontando para uma nova física que conecta a curvatura definida do espaço-tempo com a natureza incerta dos campos quânticos. Ou permitiria até melhor medir as características de distorção do tempo da matéria escura.

Estando diante de uma nova era em física e astronomia, realmente vamos precisar do tempo ao nosso lado.

Esta pesquisa foi publicada na Nature.