A metrologia aprimorada por quantum tem sido uma área ativa de pesquisa por vários anos devido às suas muitas aplicações possíveis, variando de relógios atômicos a imagens biológicas. Pesquisas de física anteriores estabeleceram que ter uma sonda não clássica, como luz comprimida ou um estado de rotação emaranhado, pode ter benefícios significativos em comparação com as sondas clássicas. Essa ideia foi explorada mais detalhadamente em vários trabalhos recentes, alguns dos quais também consideraram os benefícios de examinar várias amostras distintas com sondas não clássicas.

Inspirado por esses estudos, pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca e da Universidade de Copenhague realizaram recentemente um experimento investigando as vantagens de usar uma rede quântica emaranhada para detectar uma mudança de fase média entre vários nós distribuídos. Seu papel, publicado em Física da Natureza , apresenta uma série de técnicas que podem ajudar a coletar medições mais precisas em uma variedade de áreas.

"Estudos recentes mostraram que ter correlações não clássicas entre sondas que abordam diferentes amostras pode levar a um ganho em comparação a ter sondas não correlacionadas, "Johannes Borregaard, o pesquisador que iniciou o projeto, disse a Phys.org. "Isso nos inspirou a investigar se tais vantagens poderiam ser demonstradas já usando a tecnologia atual."

Em seu estudo, Borregaard e seus colegas se concentraram na detecção de luz comprimida e homódina, que agora são técnicas de detecção estabelecidas. O objetivo geral do experimento era medir uma propriedade global de vários objetos separados espacialmente e investigar se sondar esses objetos simultaneamente com luz emaranhada levava a resultados mais precisos do que sondá-los individualmente. Os pesquisadores descobriram que o uso de uma rede quântica para sondar os objetos simultaneamente permitiu a detecção de fase com uma precisão muito maior do que a obtida ao examinar as sondas individualmente.

"Nesta demonstração particular, queríamos estimar a média de vários deslocamentos de fase óptica, "Xueshi Guo, autor principal do artigo, disse a Phys.org. "Medimos as mudanças de fase (que definimos com placas de onda para um valor conhecido) enviando um feixe de laser fraco e detectando a mudança na quadratura de fase da luz com detectores homódinos."

Para gerar luz emaranhada e distribuí-la entre diferentes locais, os pesquisadores usaram um método bastante simples. Primeiro, eles criaram um estado de luz comprimido por fase, que é um estado quântico não clássico padrão. Em seguida, eles o dividiram em vários feixes usando divisores de feixe.

Isso resultou em sondas de luz com ruído reduzido na quadratura de fase, mas apenas quando todas as sondas foram medidas simultaneamente. Esta é precisamente a propriedade necessária para atingir uma melhor razão sinal-ruído na estimativa da fase média sem aumentar a energia (isto é, número de fótons) nos estados de sonda.

"No experimento, tivemos quatro amostras de fase no total, "Guo explicou." O ganho que pode ser alcançado usando o emaranhamento é, então, teoricamente limitado a um fator de 2. No entanto, conforme o número de amostras aumenta, o mesmo acontece com o ganho alcançável. "

Os pesquisadores descobriram que a vantagem de usar a detecção quântica distribuída torna-se realmente significativa quando uma propriedade de muitos objetos conectados em uma rede óptica deve ser medida. Para obter com sucesso um aumento na precisão, Contudo, as perdas na rede e nos detectores precisam ser mantidas baixas, caso contrário, a vantagem quântica desaparecerá.

"A principal conquista de nosso estudo é a demonstração experimental das vantagens associadas ao uso de emaranhamento multimodo para detecção distribuída, "Borregaard disse." Estudos teóricos anteriores previram tais vantagens, mas eles costumam considerar cenários altamente idealizados e estados de sondagem experimentalmente muito desafiadores ou técnicas de detecção. Nosso trabalho afirma que tais vantagens são acessíveis mesmo com a atual tecnologia barulhenta. "

No futuro, as técnicas demonstradas por Borregaard, Guo e seus colegas podem ter implicações importantes para várias áreas diferentes de pesquisa e desenvolvimento de tecnologia. Por exemplo, eles podem ajudar a aumentar a sensibilidade das ferramentas de rastreamento molecular, relógios atômicos, e técnicas de magnetometria óptica.

Embora apenas mais investigações determinem o quanto cada uma dessas aplicações pode se beneficiar dos métodos introduzidos pelos pesquisadores, este estudo recente oferece uma visão valiosa sobre como a metrologia aprimorada quântica pode ser alcançada usando tecnologias prontamente disponíveis, como geração de luz comprimida e detecção homódina. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores planejam continuar investigando o uso de luz comprimida multimodo em outros contextos, em particular para aplicações de computação quântica óptica.

"Em nosso experimento, não usamos realmente os estados de sonda ideais e métodos de medição permitidos pela teoria quântica, por isso seria interessante demonstrar o problema de sensoriamento distribuído com esses recursos, "Jonas S. Neergaard-Nielsen, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Além disso, pode ser interessante distribuir a luz emaranhada para locais distantes em uma rede de fibra instalada para mostrar a aplicabilidade do esquema no mundo real. "

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