A almofada central de uma membrana furada de nitreto de silício (amarela, dentro da moldura vermelha de silício) vibra como um "tambor quântico, ”Graças ao extremo isolamento acústico fornecido pelo padrão de orifícios inventado no laboratório Schliesser. A medição baseada em laser das vibrações do tambor permite o controle de seu estado quântico de movimento, eliminando todo o ruído - incluindo a perturbação quântica pela própria medição - análogo aos fones de ouvido com cancelamento de ruído. Os fones de ouvido no fundo fornecem uma referência de tamanho. Crédito:Niels Bohr Institute
Pesquisadores do Laboratório Schliesser do Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague, demonstraram uma nova maneira de abordar um problema central da física quântica:na escala quântica, qualquer medição perturba o objeto medido. Este distúrbio limita, por exemplo, a precisão com a qual o movimento de um objeto pode ser rastreado. Mas em uma membrana do tamanho de um milímetro que vibra como uma pele de tambor, os pesquisadores conseguiram monitorar precisamente o movimento com um laser - e desfazer a perturbação quântica pela medição. Isso permite que eles controlem o movimento da membrana no nível quântico. O resultado tem aplicações potenciais em sensores de posição ultraprecisos, velocidade e força, e a arquitetura de um futuro computador quântico. Agora é publicado na prestigiosa revista científica, Natureza .
No nível quântico, fazer medições perturba o objeto medido:usar um feixe de laser para determinar a posição ou velocidade de um objeto requer bombardeá-lo com muitos fótons. Os fótons irão chutá-lo a cada impacto, e o objeto começará a se mover de acordo. À medida que os fótons chegam aleatoriamente, isso resulta em movimento aleatório adicional sobre os movimentos originais, degradando a capacidade de medir e controlar o estado de movimento real. Se a intensidade do laser for reduzida, a fim de reduzir tal "retrocesso" de medição, a relação sinal-ruído no detector diminui e a medição torna-se imprecisa - novamente. "É necessária uma medição forte, mesmo que resulte em retrocesso quântico. Tudo o que temos a fazer é medir e desfazer a retrocesso quântica. E isso é basicamente o que conseguimos fazer ", O professor Albert Schliesser explica.
O experimento
"Nossos experimentos nos oferecem uma oportunidade realmente única:nossos dados mostram muito claramente os efeitos quânticos, como a retrocesso quântica, na medição do movimento mecânico. Portanto, podemos testar em nossos laboratórios se modificações inteligentes do aparelho de medição podem melhorar a precisão - usando truques que nas últimas décadas só poderiam ser teorizados, " ele continua.
Um ressonador de membrana de nitreto de silício suspenso em uma estrutura de silício quadrada de tamanho mm. O padrão de orifícios na membrana tem um intervalo fonônico que confina as vibrações em certas frequências à ilha ("defeito") no centro. Crédito:Niels Bohr Institute
O sistema experimental é ca. Membrana de 3x3 mm feita de nitreto de silício cerâmico (Fig. 1). Ele está sob alta tensão e vibra quando é atingido - como uma pele de tambor. Um padrão de orifício especial inventado no laboratório de Schliesser isola essas vibrações extremamente bem:uma vez que vibra, ele sofre um bilhão de ciclos de oscilação antes de perder uma fração significativa de sua energia para o ambiente. (Para um tambor normal, esse número seria cerca de cem.) Uma vantagem adicional do nitreto de silício é que ele não absorve nenhuma luz laser usada para interrogar seu movimento - portanto, a membrana não aquece, o que novamente levaria a algum movimento descontrolado da membrana.
Controlando o estado quântico de movimento com cancelamento de ruído ativo
Excluindo perturbações externas por meio de tal isolamento extremo, os cientistas podem se concentrar nos efeitos quânticos da medição. Usando um laser muito estável, eles podem de fato medir o movimento, incluindo retracção de medição, até o nível quântico. "O notável é que podemos fazer esse registro de medição, execute-o por meio de alguns eletrônicos, e aplique uma força contrária à membrana, para desfazer os efeitos aleatórios da retroação quântica. Basicamente, funciona como um conjunto de fones de ouvido com cancelamento de ruído, apenas no regime quântico, "explica o estudante de doutorado Massimiliano Rossi, um dos principais autores do estudo. Desta forma, os cientistas poderiam preparar deterministicamente o movimento da membrana em um estado quântico puro - um objetivo que físicos de uma variedade de comunidades perseguiram nos últimos 20 anos.
A razão está na versatilidade de tais técnicas de controle quântico quando aplicadas ao movimento. Os interferômetros LIGO são um exemplo. Eles medem ondas gravitacionais, emitido, por exemplo fundindo buracos negros a bilhões de anos-luz de distância, monitorando o movimento de grandes espelhos na Terra. Para recuperar esses sinais extremamente fracos, eles precisam levar a sensibilidade a tal extremo que os limites quânticos das medições de movimento entrem em ação. Por outro lado, controlar o estado quântico de sistemas mecânicos pode ser útil para componentes especiais de um computador quântico. Um elemento de memória, por exemplo, se beneficiaria da longa vida útil das excitações mecânicas. Em última análise, vibrações controladas quânticas também são interessantes de um ponto de vista fundamental:como a vibração implica que a massa está se movendo, que papel a gravidade desempenha? Como isso influencia o estado de movimento quântico? Teorias aceitas de hoje, muito menos experimentos, ainda não forneceram respostas claras a essas perguntas.
