Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) aproveitaram o fenômeno da "compressão quântica" para amplificar e medir movimentos trilionésimos de metro de um íon de magnésio preso solitário (átomo eletricamente carregado).

Descrito na edição de 21 de junho de Ciência , NIST é rápido, método de compressão reversível pode melhorar a detecção de campos elétricos extremamente fracos em aplicações de ciências de superfície, por exemplo, ou detectar a absorção de pequenas quantidades de luz em dispositivos como relógios atômicos. A técnica também pode acelerar as operações em um computador quântico.

"Usando a compressão, podemos medir com maior sensibilidade do que poderia ser alcançado sem efeitos quânticos, "disse o autor principal Shaun Burd.

"Demonstramos um dos mais altos níveis de compressão quântica já relatado e o usamos para amplificar pequenos movimentos mecânicos, "O físico do NIST Daniel Slichter disse." Somos 7,3 vezes mais sensíveis a esses movimentos do que seria possível sem o uso desta técnica. "

Embora apertar uma laranja possa fazer uma bagunça suculenta, compressão quântica é um processo muito preciso, que move a incerteza de medição de um lugar para outro.

Imagine que você está segurando um balão comprido, e o ar dentro dele representa incerteza. A compressão quântica é como apertar o balão em uma extremidade para empurrar o ar para a outra extremidade. Você move a incerteza de um lugar onde deseja medições mais precisas, para outro lugar, onde você pode viver com menos precisão, enquanto mantém a incerteza total do sistema a mesma.

No caso do íon magnésio, medições de seu movimento são normalmente limitadas pelas chamadas flutuações quânticas na posição e momento do íon, que ocorrem o tempo todo, mesmo quando o íon tem a energia mais baixa possível. A compressão manipula essas flutuações, por exemplo, empurrando a incerteza da posição para o momento quando a sensibilidade de posição melhorada é desejada.

No método do NIST, um único íon é mantido no espaço 30 micrômetros (milionésimos de metro) acima de um chip plano de safira coberto com eletrodos de ouro usados ​​para capturar e controlar o íon. Os pulsos de laser e microondas são aplicados para acalmar os elétrons e o movimento do íon até seus estados de energia mais baixos. O movimento é então comprimido ao balançar a voltagem em certos eletrodos com o dobro da frequência natural do movimento de ida e volta do íon. Este processo dura apenas alguns microssegundos.

Após o aperto, um pequeno, O "sinal de teste" do campo elétrico oscilante é aplicado ao íon para fazê-lo se mover um pouco no espaço tridimensional. Para ser amplificado, esse movimento extra precisa estar "em sincronia" com a compressão.

Finalmente, a etapa de compressão é repetida, mas agora com as tensões do eletrodo exatamente fora de sincronia com as tensões de compressão originais. Essa compressão fora de sincronia reverte a compressão inicial; Contudo, ao mesmo tempo, amplifica o pequeno movimento causado pelo sinal de teste. Quando esta etapa for concluída, a incerteza no movimento do íon está de volta ao seu valor original, mas o movimento de vaivém do íon é maior do que se o sinal de teste tivesse sido aplicado sem nenhuma das etapas de compressão.

Para obter os resultados, um campo magnético oscilante é aplicado para mapear ou codificar o movimento do íon em seu estado eletrônico de "rotação", que é medido iluminando o íon com um laser e observando se ele apresenta fluorescência.

O uso de um sinal de teste permite aos pesquisadores do NIST medir a quantidade de amplificação que sua técnica fornece. Em uma aplicação de detecção real, o sinal de teste seria substituído pelo sinal real a ser amplificado e medido.

O método NIST pode amplificar e medir rapidamente movimentos de íons de apenas 50 picômetros (trilionésimos de metro), que é cerca de um décimo do tamanho do menor átomo (hidrogênio) e cerca de um centésimo do tamanho das flutuações quânticas não comprimidas. Mesmo movimentos menores podem ser medidos repetindo o experimento mais vezes e calculando a média dos resultados. A técnica de amplificação baseada em compressão permite que movimentos de um determinado tamanho sejam detectados com 53 vezes menos medições do que seriam necessárias de outra forma.

A compressão foi alcançada anteriormente em uma variedade de sistemas físicos, incluindo íons, mas o resultado do NIST representa um dos maiores aprimoramentos de detecção baseados em compressão já relatados.

O novo método de compressão do NIST pode aumentar a sensibilidade de medição em sensores quânticos e pode ser usado para criar emaranhamento mais rapidamente, que liga propriedades de partículas quânticas, acelerando assim a simulação quântica e as operações de computação quântica. Os métodos também podem ser usados ​​para gerar estados de movimento exóticos. O método de amplificação é aplicável a muitos outros objetos mecânicos vibrantes e outras partículas carregadas, como elétrons.