Durante séculos, os humanos têm expandido sua compreensão do mundo por meio de medições cada vez mais precisas da luz e da matéria. Hoje, sensores quânticos alcançam resultados extremamente precisos. Um exemplo disso é o desenvolvimento de relógios atômicos, que se espera não ganhem nem percam mais do que um segundo em trinta bilhões de anos. As ondas gravitacionais também foram detectadas por meio de sensores quânticos, neste caso, usando interferômetros ópticos.

Os sensores quânticos podem atingir sensibilidades que são impossíveis de acordo com as leis da física convencional que governam a vida cotidiana. Esses níveis de sensibilidade só podem ser alcançados se entrarmos no mundo da mecânica quântica com suas propriedades fascinantes - como o fenômeno da superposição, onde os objetos podem estar em dois lugares ao mesmo tempo e onde um átomo pode ter dois níveis de energia diferentes ao mesmo tempo.

A geração e o controle de tais estados não clássicos são extremamente complexos. Devido ao alto nível de sensibilidade necessário, essas medições estão sujeitas a interferências externas. Além disso, estados não clássicos devem ser adaptados a um parâmetro de medição específico. "Infelizmente, isso muitas vezes resulta em maior imprecisão em relação a outros parâmetros de medição relevantes ", diz Fabian Wolf, descrevendo o desafio. Este conceito está intimamente ligado ao princípio da incerteza de Heisenberg. Wolf faz parte de uma equipe de pesquisadores da Leibniz University Hannover, Physikalisch-Technische Bundesanstalt em Braunschweig, e o Instituto Nacional de Óptica de Florença. A equipe introduziu um método baseado em um estado não clássico adaptado a dois parâmetros de medição ao mesmo tempo.

O experimento pode ser visualizado como a versão da mecânica quântica de um pêndulo simples. Nesse caso, os parâmetros de medição adaptados são o deslocamento máximo do pêndulo (amplitude) e o número de oscilações por segundo (frequência). O pêndulo compreende um único íon de magnésio embutido em uma "armadilha de íons". Por meio de interações de luz laser, pesquisadores foram capazes de resfriar o íon de magnésio ao estado fundamental de um sistema mecânico quântico, o estado mais frio possível. De lá, eles geraram um "estado Fock" do movimento e oscilaram o pêndulo de um átomo usando uma força externa. Isso permitiu que medissem a amplitude e a frequência com uma sensibilidade incomparável a um pêndulo convencional. Em contraste com os experimentos anteriores, este foi o caso para ambos os parâmetros de medição sem ter que ajustar o estado não clássico.

Usando essa nova abordagem, a equipe reduziu o tempo de medição pela metade enquanto a resolução permaneceu constante ou dobrou a resolução com um tempo de medição constante. A alta resolução é particularmente importante para técnicas de espectroscopia baseadas na alteração do estado de movimento. Neste caso particular, pesquisadores pretendem analisar íons moleculares individuais por meio de irradiação de laser, a fim de estimular o movimento molecular. O novo procedimento permitirá que eles analisem o estado da molécula antes que ela seja interrompida por uma radiação laser muito intensa. "Por exemplo, medições de precisão de moléculas podem revelar interações entre matéria escura e convencional, o que seria uma grande contribuição para a resolução de um dos maiores mistérios da física contemporânea ", diz Fabian Wolf. O conceito de medição, que os pesquisadores demonstraram pela primeira vez, também poderia melhorar a resolução em interferômetros ópticos, como detectores de ondas gravitacionais - fornecendo, portanto, insights mais aprofundados sobre a aurora do universo.