A primeira medição da gravidade usando átomos quânticos mecanicamente emaranhados demonstra o potencial da abordagem.
M. Matthey/Leibniz College Hannover
O que sobe. O elevador de Einstein na Universidade de Leibniz Hannover, na Alemanha, cria condições de microgravidade lançando experimentos para cima em uma torre de 40 m de altura (visão para cima mostrada aqui), fornecendo 4 segundos de queda livre durante o movimento para cima e para baixo (vídeo).
M. Matthey/Leibniz College Hannover
O que sobe. O elevador de Einstein na Universidade de Leibniz Hannover, na Alemanha, cria condições de microgravidade lançando experimentos para cima em uma torre de 40 m de altura (visão para cima mostrada aqui), fornecendo 4 segundos de queda livre durante o movimento para cima e para baixo (vídeo).
São necessárias medidas de alta precisão dos campos gravitacionais para pesquisa e prospecção geofísica, bem como para testes de relatividade geral e para detecção de ondas gravitacionais. Uma técnica envolve medir a interferência quântica de átomos em queda livre. Um novo experimento mostra que a precisão dessa abordagem pode potencialmente ser aumentada se os átomos estiverem quânticos mecanicamente emaranhados (1). Embora a precisão desta demonstração ainda esteja longe do estado da arte, os desenvolvedores dizem que uma versão em dimensionamento poderia eventualmente superar outras técnicas de medição da gravidade.
Para medir a gravidade, os átomos ultracold podem ser preparados em estados mecânicos quânticos chamados pacotes de ondas, cujo comprimento de onda reflete sua massa e energia. Primeiro, uma nuvem desses átomos pode cair livremente sob gravidade. Em seguida, depois de cair uma curta distância, um pulso de microondas separa a nuvem em uma mistura igual de dois estados de rotação (“Up” e “Down”). Os pulsos a laser aceleram e desaceleram os dois estados de rotação de maneiras diferentes, para que caam em diferentes trajetórias antes de serem recombinadas. Em seguida, outro pulso de microondas permite que os estados de rotação interajam e, devido às suas diferentes trajetórias, elas têm diferentes fases mecânicas quânticas. Como qualquer par de ondas fora de fase, as duas nuvens atômicas produzem um padrão de interferência-uma série de picos e vales na densidade atômica. A amplitude do padrão de interferência depende da aceleração gravitacional que as duas nuvens experimentaram e podem ser medidas a partir da absorção de luz dos átomos.
A precisão desse método depende da disseminação estatística de posições e velocidades dos átomos, que podem ser estreitados, preparando-os como um condensado de Bose-Einstein (BEC), no qual todos os átomos estão no mesmo estado quântico. No entanto, a precisão também é limitada por flutuações quânticas aleatórias da diferença de fase medida – um “ruído” quântico irredutível devido ao princípio da incerteza que rege suas posições e momentos.
O limite quântico padrão (SQL) na precisão imposto por essas flutuações pode ser superado explorando outro fenômeno quântico: emaranhamento. As propriedades dos átomos emaranhadas são interdependentes, portanto suas flutuações não são aleatórias, mas estão correlacionadas entre si. Essa correlação permite “espremer” as flutuações quânticas – reduzindo as flutuações da propriedade que está sendo medida às custas de aumentá -las em algum outro parâmetro (2).
JS Hasse/Leibniz College Hannover
Queda livre. O experimento Intentas (mostrado aqui sendo preparado para operações no elevador de Einstein) usará o novo gravímetro aprimorado em emaranhado para testar o princípio da equivalência da relatividade geral.
JS Hasse/Leibniz College Hannover
Queda livre. O experimento Intentas (mostrado aqui sendo preparado para operações no elevador de Einstein) usará o novo gravímetro aprimorado em emaranhado para testar o princípio da equivalência da relatividade geral.
Carsten Kless, especialista em metrologia quântica no Centro Aeroespacial Alemão em Hannover e seus colegas de trabalho já demonstraram que podem produzir BECs de átomos frios que estão enredados em seus estados de impulso, permitindo espremer abaixo do SQL (3). A equipe de Hannover agora realizou a primeira medição da aceleração gravitacional da Terra por interferometria de átomos emaranhados.
Os pesquisadores criaram um BEC a partir de cerca de 6000 átomos de resfriamento a laser de rubidium a uma temperatura efetiva de cerca de 1,7 nanokelvin (a nuvem não period estritamente em equilíbrio térmico). Em seguida, eles organizaram que os átomos se enredassem através de seus giros quânticos através de interações colisionais. Kledt e colegas usaram pulsos a laser para transferir o emaranhamento da rotação para os estados de momento dos átomos. Depois de realizar a separação typical e depois a recombinação das duas nuvens, a equipe conseguiu derivar uma medida para a aceleração gravitacional native que estava dentro de 0,01% do valor estabelecido.
O membro da equipe, Christophe Cassens, diz que os pesquisadores estão agora desenvolvendo a tecnologia para aplicações espaciais. Eles também planejam usá -lo em um projeto chamado Intentas (4), onde a queda livre em uma torre de gota chamada Einstein Elevator na Universidade de Leibniz Hannover cria condições de microgravidade. Em tal situação, a sensibilidade aprimorada por emaranhamento pode permitir testes precisos da equivalência da massa gravitacional e inercial, um princípio central da relatividade geral.
O físico óptico Mark Kasevich, da Universidade de Stanford, diz que o trabalho “explora um protocolo de aperto inteligente em uma amostra condensada por Bose-Einstein”. Ele diz que novas melhorias na precisão devem ser possíveis usando um número maior de átomos e tempos de medição mais longos.
O resultado “representa uma conquista impressionante”, diz Stuart Szigeti, especialista em detecção quântica na Universidade Nacional da Austrália. Mas ele observa que “os gravímetros de átomos a frio de última geração, que não usam átomos emaranhados, ainda atingem ordens de magnitude de sensibilidades melhores do que demonstradas aqui”.
Cassens diz que a sensibilidade depende de quanto tempo as nuvens de átomos passam por queda livre antes de serem recombinadas. Os dispositivos convencionais de última geração podem ter até 10 m de altura, oferecendo longos tempos de medição, enquanto o protótipo desenvolvido pela equipe de Hannover é muito mais curto. Mas Cassens diz que “o aprimoramento de emaranhamento é totalmente compatível com os projetos de interferômetros de átomos em larga escala”.
–Filip Ball
Philip Ball é um escritor de ciências freelancer em Londres. Seu último livro é Como a vida funciona (Picador, 2024).
