A detecção aprimorada de emaranhamento abre caminho para sensores quânticos avançados

Por Universidade de Innsbruck30 de agosto de 2023

Os físicos de Innsbruck emaranharam todas as partículas da cadeia e produziram o chamado estado quântico comprimido. Crédito: Steven Burrows e Rey Group/JILA

Instituições metrológicas em todo o mundo administram o nosso tempo, utilizando relógios atômicos baseados nas oscilações naturais dos átomos. Esses relógios, essenciais para aplicações como navegação por satélite ou transferência de dados, foram recentemente aprimorados com o uso de frequências de oscilação cada vez mais altas em relógios atômicos ópticos.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">precisão das medições integrantes da função de um relógio atômico óptico.

As observações de sistemas quânticos estão sempre sujeitas a uma certa incerteza estatística. “Isso se deve à natureza do mundo quântico”, explica Johannes Franke, da equipe de Christian Roos. “O emaranhamento pode nos ajudar a reduzir esses erros.”

Com o apoio da teórica Ana Maria Rey da JILA em Boulder, EUA, os físicos de Innsbruck testaram a precisão da medição num conjunto emaranhado de partículas em laboratório. Os pesquisadores usaram lasers para sintonizar a interação dos íons alinhados em uma câmara de vácuo e emaranhá-los.

“A interação entre partículas vizinhas diminui com a distância entre as partículas. Portanto, usamos interações de troca de spin para permitir que o sistema se comportasse de forma mais coletiva”, explica Raphael Kaubrügger, do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck.

Assim, todas as partículas da cadeia foram emaranhadas umas com as outras e produziram o chamado estado quântico comprimido. Usando isso, os físicos conseguiram mostrar que os erros de medição podem ser reduzidos aproximadamente pela metade ao emaranhar 51 íons em relação a partículas individuais. Anteriormente, a detecção aprimorada por emaranhamento dependia principalmente de interações infinitas, limitando sua aplicabilidade apenas a certas plataformas quânticas.

Com seus experimentos, os físicos quânticos de Innsbruck demonstraram que o emaranhamento quântico torna os sensores ainda mais sensíveis. “Usamos uma transição óptica em nossos experimentos que também é empregada em relógios atômicos”, diz Christian Roos. Esta tecnologia poderia melhorar áreas onde os relógios atómicos são actualmente utilizados, tais como a navegação por satélite ou a transferência de dados. Além disso, estes relógios avançados poderão abrir novas possibilidades em atividades como a procura de matéria escura ou a determinação de variações temporais de constantes fundamentais.

Christian Roos e sua equipe agora querem testar o novo método em conjuntos iônicos bidimensionais. Os resultados atuais foram publicados na revista Nature. Na mesma edição, os pesquisadores publicaram resultados muito semelhantes usando átomos neutros. A pesquisa em Innsbruck foi apoiada financeiramente pelo Fundo Austríaco para a Ciência FWF e pela Federação das Indústrias Austríacas do Tirol, entre outros.

Referência: “Detecção quântica aprimorada em transições ópticas por meio de interações de alcance finito” por Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi e Christian F. Roos, 30 de agosto 2023, Natureza.DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z