Dentro brevemente
- Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China demonstraram um estado de gato de Schrödinger com um tempo de coerência recorde de 1.400 segundos, melhorando a precisão da metrologia quântica.
- Ao isolar os átomos de itérbio-173 em um substrato não coerente, o experimento alcançou picos estáveis, permitindo uma sensibilidade próxima do limite de Heisenberg em medições de campo magnético.
- Este trabalho abre possibilidades para sensores quânticos altamente sensíveis, embora requisitos complexos de configuração limitem aplicações rápidas fora das condições de laboratório.
Um estudo recente publicado no site impresso ArXiv mostrou um estado de gato de Schrödinger – um tipo de estado quântico incomum – com um tempo de convergência incomumente longo de 1.400 segundos. Isso equivale a cerca de 23 minutos e 20 segundos, ou aproximadamente a duração da sua comédia de televisão favorita sem comerciais.
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China encontraram este momento importante ao alterar os átomos de itérbio-173 para criar um estado de spin estável de alta energia, criando efetivamente a metrologia quântica, um campo que se concentra em melhorar a precisão das medições através do uso da mecânica quântica. Este tempo de coerência, o mais longo já relatado, marca um passo importante em direção a medições baseadas em quânticas mais precisas.
Metrologia Quântica e Estados de Vida Longa do Gato
A metrologia quântica depende de estados incomuns, como superposições de gato de Schrödinger, para melhorar a sensibilidade da medição além dos limites convencionais. Os estados do gato de Schrödinger referem-se a superposições quânticas que imitam a popular hipótese experimental de que uma partícula existe em vários estados ao mesmo tempo. Aqui, os pesquisadores produziram um formato de gato que envolve dois giros opostos nos átomos de itérbio. Tais estados são notoriamente difíceis de manter devido às condições ambientais que perturbam a coerência ou à persistência da superposição quântica. Manter a coerência a longo prazo permite que as medições se beneficiem de uma “vantagem quântica”, que permite precisão abaixo do limite quântico padrão.
O tempo de coerência de 1.400 segundos é impressionante, pois as orelhas de um gato comum têm uma vida útil muito curta devido à sua sensibilidade ao ruído ambiental. Para conseguir isso, a equipe de pesquisa isolou o estado em uma “sub-região não coerente” dentro da rede óptica – uma estrutura, que será discutida mais tarde, que reduziu a interferência e protegeu os átomos de interferências externas.
Em última análise, os investigadores veem isto como um caminho lento mas mensurável em direcção às aplicações de metrologia quântica, com aplicações que vão desde medições de precisão em investigação científica até ferramentas potencialmente revolucionárias em sectores industriais que requerem alta sensibilidade.
Isolamento e Proteção em Espaço Incoerente
Os pesquisadores usaram uma técnica que estabiliza átomos de itérbio usando o que é conhecido como “comprimento de onda mágico” dentro de uma rede óptica, um espaço controlado criado pela intersecção de feixes de laser. Esta técnica facilita mudanças nos níveis de energia dos átomos causadas por variações na intensidade da luz, uma fonte comum de inconsistências em configurações ópticas.
A configuração do grupo depende do itérbio-173, um tipo de átomo de alta rotação conhecido por exibir forte emaranhamento quântico. Os átomos são dispostos em forma de gato, passando por dois estados opostos, e são submetidos a um processo conhecido como rotação de spin não linear. Esta rotação cria a superposição necessária, enquanto o subespaço livre de espaço separa efetivamente o estado dos distúrbios normais associados às variações de luz.
Usando a técnica interferométrica de Ramsey – um método que envolve uma sequência de duas etapas para medir mudanças de fase – os pesquisadores mostraram que a postura do gato era estável na medição. Esta configuração permitiu uma sensibilidade próxima do limite de Heisenberg, a sensibilidade máxima teórica das medições quânticas.
Sensores Quânticos e Navegação Quântica?
A capacidade de manter o estado do gato de Schrödinger em coerência de longo alcance pode permitir diversas aplicações, incluindo medições altamente precisas de campos magnéticos. Este tempo de convergência relatado de 1.400 segundos sugere que a metrologia quântica pode ser usada em áreas onde medições altamente sensíveis são críticas, como na busca de novos materiais físicos, relógios atômicos altamente precisos e dispositivos de detecção avançados.
Além disso, pesquisas sugerem que circuitos felinos de longa duração podem abrir caminho para sensores quânticos avançados. Por exemplo, a estabilidade mostrada na configuração do itérbio-173 é promissora para uso na detecção de campo magnético, uma tecnologia poderosa que avança a navegação quântica e as imagens médicas, onde a sensibilidade é crítica.
Limitações
Apesar de sua promessa, este estudo tem limitações. A configuração experimental, embora capaz de isolar a condição do gato ao longo do tempo, é complexa e difícil de medir. Conseguir uma subsuperfície livre de compactação requer alinhamento preciso e condições específicas, limitando o rápido desempenho do método em áreas muito densas ou variáveis. Além disso, é importante notar que embora o período de compatibilidade seja longo, manter a mesma estabilidade fora do ambiente laboratorial pode sempre ser um desafio devido a fatores ambientais imprevisíveis.
Outra limitação reside na dependência de átomos de itérbio-173, que são adequados para este experimento específico, mas podem não ser adequados para todas as aplicações de metrologia quântica, especialmente aquelas que requerem integração com outros sistemas atômicos ou moleculares.
Direções futuras
A pesquisa estabelece as bases para futuras pesquisas em medições quânticas avançadas, particularmente aplicações que podem se beneficiar de interações de longa duração em ambientes ruidosos. Trabalhos futuros podem se concentrar em aumentar ainda mais o tempo de convergência ou em refinar o método livre de subespaço para aplicações mais amplas. Os investigadores também sugerem que melhorias na tecnologia de vácuo, que reduzirão as colisões atómicas e outras fontes de ruído, poderão aumentar ainda mais os tempos de coerência.
Além disso, os pesquisadores estão interessados em estender esses métodos a sistemas multipartículas, que podem ser combinados com regiões e condições individuais de gatos para melhorar ainda mais a sensibilidade. Tal configuração pode aumentar a precisão das medições para aplicações que dependem da detecção de campos ou energias muito fracas, como aquelas utilizadas na detecção de ondas gravitacionais e experimentos de física de partículas que buscam a física além do Modelo Padrão.
A pesquisa é bastante técnica, portanto, para um mergulho mais profundo nos aspectos da pesquisa que este artigo pode não ser capaz de fornecer, leia o artigo no ArXiv. É importante lembrar que este é um servidor de pré-impressão, o que significa que não foi oficialmente revisado por pares.
O estudo foi conduzido pelos pesquisadores Yaoyun Yang, Wei-Ting Luo, Jian-Long Zhang, Shu-Zhou Wang, Chang-Ling Zou, Tong Xia e Zong-Tao Lu da Universidade de Ciência e Tecnologia da China.
