p Pesquisadores do Laboratório Schliesser do Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague, levaram a precisão das medições de força e posição a um novo regime. Seu experimento é o primeiro a superar o chamado "Limite Quântico Padrão, "ou SQL, que surge nas técnicas ópticas mais comuns (e bem-sucedidas) para medições de posição ultraprecisas. Por mais de 50 anos, experimentalistas correram para vencer o SQL usando uma variedade de técnicas, mas sem sucesso. Em seu trabalho recente, os pesquisadores do Instituto Niels Bohr fizeram o truque com uma modificação simples da abordagem padrão, que permite o cancelamento necessário do ruído quântico na medição. O resultado e o experimento subjacente têm implicações potenciais para as técnicas de astronomia de ondas gravitacionais, bem como microscopia de força com aplicações biológicas. O trabalho está agora publicado na prestigiada revista científica, Física da Natureza . p O problema com o ruído quântico

p Ações quânticas têm consequências quânticas. No contexto das medições, isso geralmente significa que o próprio ato de medir um sistema quântico o perturba. Este efeito é conhecido como 'retrocesso, "e é uma consequência das incertezas quânticas fundamentais, concebido pela primeira vez por Werner Heisenberg durante sua estada no Instituto de Copenhague de Niels Bohr na década de 1920. Em muitos casos, isso define um limite de quão precisa uma medição pode ser.

p Telescópios de ondas gravitacionais como o LIGO, o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, cujas descobertas receberam o prêmio Nobel de Física 2017, refletem a luz do laser em um espelho para medir sua posição, em uma configuração óptica conhecida como interferômetro. A "imprecisão" desta medição pode ser melhorada aumentando a potência do laser, mas, eventualmente, os chutes aleatórios dos fótons do laser irão perturbar a posição do espelho, levando a uma medição menos sensível que deixa objetos astronômicos fracos ou distantes não detectados. Ao equilibrar de forma otimizada o ruído de imprecisão e a retracção, pode-se atingir uma quantidade mínima de ruído extra, estabelecer o "Limite Quântico Padrão" (SQL). Este nível mínimo de ruído define a melhor precisão possível por qualquer interferômetro convencional.

p Para contornar esse limite, deve-se modificar o interferômetro de alguma forma para evitar essas fontes de ruído quântico. Nos 50 anos desde que o SQL foi estabelecido, várias propostas foram apresentadas, e os últimos anos trouxeram várias demonstrações experimentais de prova de princípio. Até aqui, nenhum experimento mediu realmente a posição de um objeto com uma precisão que supera o SQL. Mas isso é precisamente o que a equipe de Copenhague conseguiu, graças a técnicas ópticas e nanomecânicas avançadas.

p Melhor do que o padrão ouro

p "O SQL é uma espécie de padrão ouro para a qualidade de uma medição. Não é nada que não possa ser fundamentalmente superado, mas no que diz respeito às medições de força e posição, acabou sendo muito difícil. Mesmo o LIGO ainda não chegou. Mas com nosso sistema pensamos que deveríamos ter uma chance, "explica o Prof. Schliesser, quem liderou a equipe. Este sistema é uma plataforma experimental desenvolvida no grupo de Schliesser nos últimos anos. Assim como o LIGO, ele usa um interferômetro movido a laser para medir uma posição, neste caso, o de uma membrana feita de nitreto de silício cerâmico. Embora muito fino (20 nanômetros), a membrana tem vários milímetros de largura e é facilmente visível a olho nu. O 'truque' empregado pelos pesquisadores para ir além do SQL envolve fazer uma medição especial da luz refletida pela membrana. Nesta configuração, o detector é capaz de medir simultaneamente a imprecisão e a retrocesso de uma forma que permite que essas fontes de ruído se cancelem. Em outras palavras, o que resta é uma medição "limpa".

p A melhoria de 30 por cento é uma notícia muito boa para aplicações práticas

p "Assim que soubemos que poderíamos chegar muito perto do SQL, as modificações necessárias para vencê-lo foram bastante simples, "explica o Dr. David Mason, um pós-doutorado nos EUA em Copenhagen, e principal autor do estudo. "Estamos usando efeitos quânticos que surgem na própria configuração de medição, portanto, o esforço tecnológico extra é realmente limitado. Essa é uma boa notícia para possíveis aplicações práticas. "Usando esta técnica, o grupo do NBI foi capaz de medir a posição de sua membrana com uma precisão quase 30 por cento melhor do que o SQL permitiria. Isso marca um momento divisor de águas para medições quânticas de objetos mecânicos, destacando o quanto o estado da arte foi avançado, e sugerindo um caminho brilhante pela frente. Sistemas opto-mecânicos como o estudado aqui estão prontos para continuar ajudando no desenvolvimento de técnicas relacionadas à astronomia de ondas gravitacionais, ao mesmo tempo, aplicando sua extrema sensibilidade em outras arenas. Dispositivos do Laboratório Schliesser já estão sendo integrados em aplicativos de detecção de força de última geração, onde eles podem permitir imagens semelhantes a ressonância magnética em escala nanométrica, talvez imaginando vírus HI ou influenza individuais.