Algumas das maiores perguntas não respondidas sobre a natureza do universo estão relacionadas à luz, o vácuo (ou seja, espaço onde não existe matéria nem radiação), e sua relação com o tempo. No passado, físicos e filósofos abordaram uma variedade de questões complexas, por exemplo, qual é a natureza do vácuo, e como a propagação da luz está ligada ao passar do tempo?

Pesquisadores da Universidade de Konstanz realizaram recentemente um estudo explorando os estados quânticos das flutuações de luz e vácuo, bem como sua interação com o tempo. Seu papel, publicado em Física da Natureza , apresenta uma nova estrutura teórica para descrever os estados quânticos da luz e do vácuo em escalas de tempo ultracurtas.

O estudo dos pesquisadores se concentra em "luz comprimida, "que é essencialmente composto de impulsos de luz com flutuações eletromagnéticas redistribuídas ou" comprimidas ". Kizmann e seus colegas foram capazes de desvendar a existência de uma dependência direta entre os campos eletromagnéticos de luz ou vácuo e o tempo.

"Por volta de 2015, nossos colegas Professor Alfred Leitenstorfer e seu grupo, também da Universidade de Konstanz, foram os primeiros a demonstrar experimentalmente que as flutuações da luz no vácuo podem ser medidas diretamente, “Matthias Kizmann um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Desde então, estamos interessados ​​em desenvolver uma nova teoria para descrever as flutuações do vácuo que ocorrem durante períodos muito curtos. Isso nos levou à questão de saber se as flutuações do vácuo também poderiam ser manipuladas em períodos muito curtos para gerar a chamada luz comprimida. "

Em seu jornal, os pesquisadores descrevem a interação entre um campo forte denominado campo de "bomba", e o vácuo eletromagnético dentro de um cristal não linear. Como resultado dessa interação, o campo redistribui as flutuações do vácuo no tempo, resultando em intervalos de tempo em que essas flutuações são aumentadas ou reprimidas. Este processo é conhecido como compressão.

"Usualmente, é preciso calcular todo o campo elétrico para descrever os efeitos resultantes, mas agora descobrimos como descrever a compressão como uma mudança no fluxo do tempo, "Kizmann explicou." Os estados comprimidos pertencem a uma classe mais ampla dos chamados estados de luz não clássicos. Esses tipos de estados exibem várias características novas e fascinantes, em oposição à luz laser mais clássica. Como tal, estados não clássicos de luz desempenham um papel importante no desenvolvimento de tecnologias futuras na área de informação quântica ou espectroscopia quântica. "

Kizmann e seus colegas reuniram observações interessantes que descrevem como a luz e o vácuo estão relacionados ao tempo. Eles desenvolveram um modelo físico que pode ser usado para descrever estados quânticos do campo eletromagnético para luz e vácuo em escalas de tempo ultracurtas. O artigo também descreve como o campo eletromagnético no vácuo, conhecido como flutuações de vácuo, pode ser manipulado.

Essencialmente, luz consiste em ondas, ou campos elétricos e magnéticos oscilantes. No século 19, as pessoas acreditavam que no escuro, esses campos são iguais a zero. Teoria quântica, Contudo, afirma que um espaço vazio escuro, na verdade, não está totalmente vazio, pois contém pequenas flutuações que provocam pequenos movimentos nos campos, conhecido como flutuações de vácuo. Essas flutuações são conhecidas por serem redistribuídas de uma variável para outra (por exemplo, de campos elétricos para magnéticos), que é a compressão do vácuo.

"Estudamos como as flutuações do vácuo podem ser manipuladas no tempo e descobrimos que também podemos redistribuir as flutuações de um momento para outro, "Guido Burkard, pesquisador líder do estudo, disse a Phys.org. "Acontece que o fluxo do tempo visto a partir do pulso de luz pode ser modificado em um material óptico não linear, e essa mudança no fluxo do tempo está diretamente relacionada à mudança nas flutuações. "

As observações recolhidas por Kizmann, Burkard e seus colegas apresentam algumas semelhanças com a relatividade do tempo na teoria da relatividade. Em seu jornal, eles traçam uma analogia entre a mecânica quântica e a teoria da relatividade, duas áreas da física que estudos anteriores muitas vezes lutaram para conciliar. Suas observações e a analogia que apresentaram podem, em última análise, aprimorar nosso entendimento atual da relação entre a física quântica e a relatividade. Os pesquisadores também acreditam que pulsos ultracurtos de luz quântica comprimida podem em breve ser demonstrados e observados em laboratório.

"Achamos que os estados de luz quântica de duração de minuto até um femtossegundo (10 ^-15 segundos) em breve será realizado e caracterizado experimentalmente, "Andrey Moskalenko, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Então, eles podem ser usados ​​como uma nova ferramenta quântica em espectroscopia ultrarrápida, processos de sondagem na matéria em tais durações curtas. Isso daria acesso a uma infinidade atualmente oculta, mas muito importante de fenômenos ultrarrápidos, que determinam as principais propriedades dos novos dispositivos quânticos. "

O estudo oferece novas percepções fascinantes sobre os estados quânticos da luz e do vácuo, e sua relação com o tempo. A teoria que desenvolveram poderia, em última análise, facilitar o uso de estados quânticos de luz dependentes do tempo em óptica quântica e aplicações de informação quântica. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam explorar mais este tópico, investigando a relação entre os movimentos leves que ocorrem no vácuo e um fenômeno chamado emaranhamento quântico.

"Estamos curiosos para saber como essas redistribuições de flutuações quânticas estão relacionadas ao emaranhamento quântico, o fenômeno que alimenta os computadores quânticos e representa um recurso para comunicação quântica segura., "Burkard disse." Também gostaríamos de saber como medir (ou seja, 'olhar para') os campos de vácuo influenciam essas flutuações, e como os estados comprimidos podem ser usados ​​para espectroscopia ultrarrápida. "

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