Um relógio analógico preciso tick-tick-tick com uma precisão constante e frequência bem conhecida:um tick por segundo. Quanto mais tempo você deixa rolar, o melhor para testar sua precisão - 10 vezes mais tempo corresponde a uma melhoria de dez vezes em qualquer incerteza de frequência. Mas existe uma maneira mais rápida de determinar uma frequência?

Acontece que existe, em uma nova descoberta publicada esta semana em Cartas de revisão física por uma colaboração entre um professor da Universidade de Washington em St. Louis e um estudante de pós-graduação junto com um pesquisador da Universidade de Rochester.

A aceleração na medição de frequência vem da mecânica quântica. Quando um bit quântico é usado para medir a frequência de um sinal, as estranhas regras da mecânica quântica permitem que a medição da frequência seja muito mais precisa. A técnica depende da capacidade de colocar o bit quântico em uma superposição de seus dois estados quânticos, e então mudar esses estados no tempo com o sinal.

Kater Murch, professor assistente de física em artes e ciências, junto com o estudante de graduação Mahdi Naghiloo e o colaborador da teoria Andrew Jordan, de Rochester, descreveram a técnica como um "truque de mágica quântica".

"É uma reminiscência dos truques de mágica que envolvem uma bola colocada sob uma das duas xícaras e as xícaras são embaralhadas - exceto que desta vez, a bola pode estar sob os dois copos ao mesmo tempo, "Murch disse." A aceleração resultante na medição de frequência é surpreendente. Agora, medindo 10 vezes mais, a incerteza de frequência pode ser reduzida por um fator de 100 - permitindo resolução aprimorada da frequência além de qualquer outra técnica de seu tipo. Trabalhos de teoria anteriores publicados pelo grupo Jordan neste ano provaram em dois artigos separados que a técnica aplicada neste artigo é o ótimo teórico que a mecânica quântica permite. "

O experimento foi concluído usando um sistema quântico supercondutor onde um sinal oscilante externo com frequência desconhecida fazia com que o sistema quântico passasse por mudanças periódicas. Ao aplicar pulsos quânticos no topo do sinal oscilante, o estado do sistema poderia ser controlado de forma que a leitura final do sistema quântico se tornasse altamente sensível ao valor preciso da frequência de oscilação. A fonte física subjacente da vantagem está relacionada ao fato de que a energia do sistema quântico é dependente do tempo, o que faz com que os estados quânticos correspondentes a diferentes frequências se acelerem, afastando-se uns dos outros, dando maior distinção em um determinado momento.

Este método permitiu resolução aprimorada da frequência além de qualquer outra técnica de seu tipo, Jordan disse.

Este trabalho é apenas um exemplo de como o novo campo das tecnologias quânticas usa as leis da física quântica para obter vantagens tecnológicas sobre a física clássica, Jordan disse. Outros exemplos incluem computação quântica, sensoriamento quântico e simulação quântica. Para esses campos, a exploração da física quântica oferece benefícios, como uma aceleração da pesquisa de banco de dados, a fatoração de grandes números ou a simulação rápida de moléculas complexas.

Essa medição em escala fina da frequência de um sinal periódico é o ingrediente fundamental em diversas aplicações, incluindo dispositivos de imagens médicas de ressonância magnética, a análise da luz emitida por estrelas e, claro, precisão do relógio. Acelerar essas medições de uma forma que Murch e Jordan demonstraram pode ter impactos profundos em muitas áreas.

Murch e Naghiloo usaram cronometragem e GPS, e essas tecnologias em constante avanço, como exemplos da importância de suas descobertas.

"Hoje em dia, a maioria de nós carrega um telefone no bolso que é capaz de nos dizer quase exatamente onde estamos na Terra usando o Sistema de Posicionamento Global, "Murch disse." A maneira como isso funciona é que seu telefone recebe sinais de vários satélites diferentes, e ao cronometrar a chegada relativa desses sinais, ele infere sua posição. A precisão do tempo está diretamente relacionada à precisão de sua posição - uma relação entre a medição do tempo e a navegação que persiste há centenas de anos.

"Bem antes do GPS, um marinheiro que quisesse saber sua localização navegaria pelas estrelas. No hemisfério norte, a altura da estrela do norte lhe dirá sua latitude, mas para saber sua longitude, você precisa controlar o tempo. Conforme a noite avança, as estrelas giram em torno da estrela do norte - a altura de qualquer estrela acima do horizonte está relacionada com a hora local, e comparando esta hora com um relógio definido para o horário de Greenwich, a diferença de tempo dá a sua longitude. "

A cronometragem náutica ressalta a vitalidade dos avanços de freqüência.

"Nos anos 1700, relógios precisos eram a principal limitação da navegação oceânica, "Disse Murch." O desastre naval de Scilly em 1707 - um dos piores desastres da história naval britânica - foi amplamente atribuído à navegação deficiente, levando o governo britânico a investir pesadamente em relógios precisos. Os cronômetros resultantes transformaram a navegação marítima e aceleraram muito a era das descobertas.

"Os avanços na cronometragem continuam a ter um impacto profundo na tecnologia e na ciência fundamental. Ferramentas quânticas, como a aceleração quântica na medição de frequência que descobrimos, são necessários para impulsionar essas tecnologias. Este é um momento empolgante para a física quântica porque esses recursos quânticos estão cada vez mais levando a vantagens práticas sobre as abordagens de medição tradicionais. "