Os cientistas descobriram que uma propriedade física chamada 'negatividade quântica' pode ser usada para fazer medições mais precisas de tudo, desde distâncias moleculares a ondas gravitacionais.

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, Harvard e MIT, mostraram que as partículas quânticas podem transportar uma quantidade ilimitada de informações sobre as coisas com as quais interagiram. Os resultados, relatado no jornal Nature Communications , poderia permitir medições muito mais precisas e impulsionar novas tecnologias, como microscópios superprecisos e computadores quânticos.

Metrologia é a ciência das estimativas e medições. Se você se pesou esta manhã, você fez metrologia. Da mesma forma que a computação quântica deve revolucionar a maneira como cálculos complicados são feitos, metrologia quântica, usando o comportamento estranho das partículas subatômicas, pode revolucionar a maneira como medimos as coisas.

Estamos acostumados a lidar com probabilidades que variam de 0% (nunca acontece) a 100% (sempre acontece). Para explicar os resultados do mundo quântico, no entanto, o conceito de probabilidade precisa ser expandido para incluir a chamada quase probabilidade, que pode ser negativo. Essa quase-probabilidade permite que conceitos quânticos como a "ação fantasmagórica à distância" de Einstein e a dualidade onda-partícula sejam explicados em uma linguagem matemática intuitiva. Por exemplo, a probabilidade de um átomo estar em uma determinada posição e viajar com uma velocidade específica pode ser um número negativo, como -5%.

Diz-se que um experimento cuja explicação requer probabilidades negativas possui 'negatividade quântica'. Os cientistas agora mostraram que essa negatividade quântica pode ajudar a fazer medições mais precisas.

Toda metrologia precisa de sondas, que podem ser escalas simples ou termômetros. Na metrologia de ponta, no entanto, as sondas são partículas quânticas, que pode ser controlado no nível subatômico. Essas partículas quânticas são feitas para interagir com a coisa que está sendo medida. Em seguida, as partículas são analisadas por um dispositivo de detecção.

Em teoria, quanto maior o número de partículas de sondagem, mais informações estarão disponíveis para o dispositivo de detecção. Mas na prática, há um limite na taxa em que os dispositivos de detecção podem analisar partículas. O mesmo é verdade na vida cotidiana:colocar óculos escuros pode filtrar o excesso de luz e melhorar a visão. Mas há um limite para o quanto a filtragem pode melhorar nossa visão - ter óculos de sol muito escuros é prejudicial.

"Adaptamos ferramentas da teoria da informação padrão para quase-probabilidades e mostramos que a filtragem de partículas quânticas pode condensar a informação de um milhão de partículas em uma, "disse o autor principal, Dr. David Arvidsson-Shukur, do Laboratório Cavendish de Cambridge e Sarah Woodhead Fellow do Girton College." Isso significa que os dispositivos de detecção podem operar em sua taxa de influxo ideal enquanto recebem informações correspondentes a taxas muito mais altas. Isso é proibido de acordo com a teoria da probabilidade normal, mas a negatividade quântica torna isso possível. "

Um grupo experimental da Universidade de Toronto já começou a construir tecnologia para usar esses novos resultados teóricos. Seu objetivo é criar um dispositivo quântico que use luz laser de fóton único para fornecer medições incrivelmente precisas de componentes ópticos. Essas medições são cruciais para a criação de novas tecnologias avançadas, como computadores quânticos fotônicos.

"Nossa descoberta abre novas maneiras empolgantes de usar fenômenos quânticos fundamentais em aplicações do mundo real, "disse Arvidsson-Shukur.

A metrologia quântica pode melhorar as medições de coisas, incluindo distâncias, ângulos, temperaturas e campos magnéticos. Essas medições mais precisas podem levar a tecnologias melhores e mais rápidas, mas também melhores recursos para sondar a física fundamental e melhorar nossa compreensão do universo. Por exemplo, muitas tecnologias dependem do alinhamento preciso dos componentes ou da capacidade de detectar pequenas mudanças nos campos elétricos ou magnéticos. Maior precisão no alinhamento de espelhos pode permitir microscópios ou telescópios mais precisos, e melhores maneiras de medir o campo magnético da Terra podem levar a melhores ferramentas de navegação.

A metrologia quântica é usada atualmente para aumentar a precisão da detecção de ondas gravitacionais no Observatório LIGO Hanford, ganhador do Prêmio Nobel. Mas para a maioria dos aplicativos, a metrologia quântica tem sido excessivamente cara e inatingível com a tecnologia atual. Os resultados recém-publicados oferecem uma maneira mais barata de fazer metrologia quântica.

“Os cientistas costumam dizer que 'não existe almoço grátis', o que significa que você não pode ganhar nada se não estiver disposto a pagar o preço computacional, "disse o co-autor Aleksander Lasek, um Ph.D. candidato no Laboratório Cavendish. "Contudo, na metrologia quântica, esse preço pode ser arbitrariamente baixo. Isso é altamente contra-intuitivo, e realmente incrível! "

Dra. Nicole Yunger Halpern, co-autor e ITAMP Postdoctoral Fellow na Harvard University, disse:"A multiplicação diária comuta:Seis vezes sete é igual a sete vezes seis. A teoria quântica envolve a multiplicação que não comuta. A falta de comutação nos permite melhorar a metrologia usando a física quântica.

"A física quântica aprimora a metrologia, computação, criptografia, e mais; mas provar rigorosamente que sim é difícil. Mostramos que a física quântica nos permite extrair mais informações dos experimentos do que poderíamos apenas com a física clássica. A chave para a prova é uma versão quântica das probabilidades - objetos matemáticos que se assemelham às probabilidades, mas podem assumir valores negativos e não reais. "