O universo, como visto pelas lentes da mecânica quântica, é barulhento, espaço crepitante onde as partículas piscam constantemente para dentro e para fora da existência, criando um fundo de ruído quântico cujos efeitos são normalmente sutis demais para serem detectados em objetos do dia-a-dia.

Agora, pela primeira vez, uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório MIT LIGO mediu os efeitos das flutuações quânticas em objetos na escala humana. Em um artigo publicado em Natureza , os pesquisadores relatam a observação de que as flutuações quânticas, por mais minúsculos que sejam, pode, no entanto, "chutar" um objeto tão grande quanto os espelhos de 40 quilogramas do Observatório de ondas gravitacionais do interferômetro a laser da National Science Foundation (LIGO), fazendo com que eles se movam por um pequeno grau, que a equipe foi capaz de medir.

Acontece que o ruído quântico nos detectores do LIGO é suficiente para mover os grandes espelhos em 10 ^-20 metros, um deslocamento que foi previsto pela mecânica quântica para um objeto deste tamanho, mas isso nunca havia sido medido antes.

"Um átomo de hidrogênio é 10 ^-10 metros, então esse deslocamento dos espelhos é para um átomo de hidrogênio o que um átomo de hidrogênio é para nós - e medimos isso, "diz Lee McCuller, um cientista pesquisador do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.

Os pesquisadores usaram um instrumento especial que criaram, chamado de espremedor quântico, para "manipular o ruído quântico do detector e reduzir seus chutes nos espelhos, de uma forma que poderia, em última análise, melhorar a sensibilidade do LIGO na detecção de ondas gravitacionais, "explica Haocun Yu, um estudante de graduação em física no MIT.

"O que é especial sobre este experimento é que vimos efeitos quânticos em algo tão grande quanto um ser humano, "diz Nergis Mavalvala, o professor de mármore e chefe associado do departamento de física do MIT. "Nós também, cada nanossegundo de nossa existência, estão sendo chutados, fustigado por essas flutuações quânticas. É só que a agitação da nossa existência, nossa energia térmica, é muito grande para que essas flutuações quânticas do vácuo afetem nosso movimento de forma mensurável. Com os espelhos do LIGO, fizemos todo esse trabalho para isolá-los do movimento acionado termicamente e outras forças, de modo que agora eles ainda são suficientes para serem chutados por flutuações quânticas e esta pipoca assustadora do universo. "

Yu, Mavalvala, e McCuller são co-autores do novo artigo, junto com a estudante de graduação Maggie Tse e a cientista pesquisadora principal Lisa Barsotti do MIT, junto com outros membros da Colaboração Científica LIGO.

Um chute quântico

O LIGO foi projetado para detectar ondas gravitacionais que chegam à Terra a partir de fontes cataclísmicas de milhões a bilhões de anos-luz de distância. É composto por dois detectores gêmeos, um em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana. Cada detector é um interferômetro em forma de L composto por dois túneis de 4 quilômetros de comprimento, no final do qual está pendurado um espelho de 40 quilos.

Para detectar uma onda gravitacional, um laser localizado na entrada do interferômetro LIGO envia um feixe de luz por cada túnel do detector, onde se reflete no espelho na extremidade oposta, para voltar ao seu ponto de partida. Na ausência de uma onda gravitacional, os lasers devem retornar ao mesmo tempo exato. Se uma onda gravitacional passar, perturbaria brevemente a posição dos espelhos, e, portanto, os tempos de chegada dos lasers.

Muito foi feito para proteger os interferômetros de ruídos externos, para que os detectores tenham uma chance melhor de detectar as perturbações extremamente sutis criadas por uma onda gravitacional que se aproxima.

Mavalvala e seus colegas se perguntaram se o LIGO também poderia ser sensível o suficiente para que o instrumento pudesse sentir efeitos ainda mais sutis, como flutuações quânticas dentro do próprio interferômetro, e especificamente, ruído quântico gerado entre os fótons do laser do LIGO.

"Esta flutuação quântica na luz do laser pode causar uma pressão de radiação que pode realmente chutar um objeto, "McCuller acrescenta." O objeto em nosso caso é um espelho de 40 quilogramas, que é um bilhão de vezes mais pesado do que os objetos em nanoescala em que outros grupos mediram esse efeito quântico. "

Espremedor de ruído

Para ver se eles poderiam medir o movimento dos grandes espelhos do LIGO em resposta a pequenas flutuações quânticas, a equipe usou um instrumento que eles construíram recentemente como um complemento para os interferômetros, que eles chamam de espremedor quântico. Com o espremedor, os cientistas podem ajustar as propriedades do ruído quântico dentro do interferômetro do LIGO.

A equipe mediu primeiro o ruído total dentro dos interferômetros do LIGO, incluindo o ruído quântico de fundo, bem como ruído "clássico", ou distúrbios gerados do normal, vibrações diárias. Eles então ligaram o espremedor e o configuraram em um estado específico que alterou as propriedades do ruído quântico especificamente. Eles foram capazes de subtrair o ruído clássico durante a análise de dados, para isolar o ruído puramente quântico no interferômetro. Como o detector monitora constantemente o deslocamento dos espelhos para qualquer ruído de entrada, os pesquisadores foram capazes de observar que o ruído quântico por si só foi suficiente para deslocar os espelhos, por 10 ^-20 metros.

Mavalvala observa que a medição se alinha exatamente com o que a mecânica quântica prevê. "Mas ainda é notável ver isso ser confirmado em algo tão grande, " ela diz.

Indo um passo adiante, a equipe se perguntou se eles poderiam manipular o espremedor quântico para reduzir o ruído quântico dentro do interferômetro. O espremedor é projetado de forma que, quando definido para um estado particular, ele "comprime" certas propriedades do ruído quântico, nesse caso, fase e amplitude. As flutuações de fase podem ser consideradas como decorrentes da incerteza quântica no tempo de viagem da luz, enquanto as flutuações de amplitude conferem chutes quânticos à superfície do espelho.

"Pensamos no ruído quântico distribuído ao longo de diferentes eixos, e tentamos reduzir o ruído em algum aspecto específico, "Yu diz.

Quando o espremedor é definido para um determinado estado, pode, por exemplo, apertar, ou estreitar a incerteza na fase, enquanto simultaneamente se distende, ou aumentando a incerteza em amplitude. Comprimir o ruído quântico em diferentes ângulos produziria diferentes proporções de ruído de fase e amplitude nos detectores do LIGO.

O grupo se perguntou se a mudança do ângulo dessa compressão criaria correlações quânticas entre os lasers do LIGO e seus espelhos, de uma forma que eles também pudessem medir. Testando sua ideia, a equipe ajustou o espremedor em 12 ângulos diferentes e descobriu que, na verdade, eles podiam medir as correlações entre as várias distribuições de ruído quântico no laser e o movimento dos espelhos.

Por meio dessas correlações quânticas, a equipe conseguiu reduzir o ruído quântico, e o deslocamento resultante do espelho, até 70 por cento do seu nível normal. Esta medição, aliás, está abaixo do que é chamado de limite quântico padrão, que, na mecânica quântica, afirma que um determinado número de fótons, ou, no caso do LIGO, um certo nível de potência do laser, espera-se que gere um certo mínimo de flutuações quânticas que gerariam um "chute" específico para qualquer objeto em seu caminho.

Usando luz comprimida para reduzir o ruído quântico na medição LIGO, a equipe fez uma medição mais precisa do que o limite quântico padrão, reduzindo esse ruído de uma forma que acabará por ajudar o LIGO a detectar sinais mais fracos, fontes mais distantes de ondas gravitacionais.