Os relógios atômicos são uma classe de relógios que aproveitam as frequências de ressonância dos átomos para marcar o tempo com alta precisão. Embora esses relógios tenham se tornado cada vez mais avançados e precisos ao longo dos anos, as versões existentes podem não utilizar melhor os recursos de que dependem para marcar o tempo.



Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia exploraram recentemente a possibilidade de usar técnicas de computação quântica para melhorar ainda mais o desempenho dos relógios atômicos. O artigo deles, publicado na Nature Physics , apresenta um novo esquema que permite o uso simultâneo de vários relógios atômicos para marcar o tempo com ainda maior precisão.

“Os relógios atômicos têm décadas, mas seu desempenho melhora a cada ano”, disse Adam Shaw, coautor do artigo, ao Phys.org.

"Ao mesmo tempo, nos últimos anos tem havido um grande impulso na comunidade da física atômica para desenvolver os chamados computadores quânticos, dispositivos que controlam os estados quânticos de átomos individuais para realizar cálculos além das capacidades de um computador normal. Embora relógios e computadores são aparentemente bem diferentes, nos últimos anos as pessoas perceberam que eles podem ser altamente sinérgicos."

O objetivo principal do estudo recente de Shaw e seus colegas era usar algumas das ferramentas subjacentes ao funcionamento dos computadores quânticos para melhorar os relógios atômicos. Para fazer isso, os pesquisadores realizaram experimentalmente uma proposta teórica de 10 anos, que envolve o uso simultâneo de vários relógios para marcar o tempo melhor do que um único relógio, garantindo que cada um deles registre a passagem do tempo em taxas diferentes.

“A ideia é basicamente a mesma de ter vários ponteiros em um relógio:um ponteiro de horas para acompanhar mudanças de horário mais longas e um ponteiro de minutos para monitorar com mais precisão mudanças de horário mais curtas”, explicou Shaw. "O que fizemos foi essencialmente construir um relógio com vários ponteiros em escala atômica. Para fazer isso, demonstramos uma nova maneira de controlar o estado eletrônico de átomos individuais com altíssima fidelidade, alterando suas posições em um feixe de laser."

Os pesquisadores usaram a técnica proposta para controlar átomos individuais em relógios atômicos. Especificamente, eles garantiram que cada átomo experimentasse efetivamente a passagem do tempo de forma mais lenta ou mais rápida, dependendo de sua posição dinâmica em relação ao feixe de laser aplicado.

“Os atuais relógios mais precisos do mundo funcionam medindo a passagem do tempo com um grande conjunto de átomos, mas demonstramos que o controle individual pode levar a um melhor desempenho”, disse Shaw. “De modo mais geral, nosso trabalho mostra o poder de combinar os recursos dos computadores quânticos e dos sensores quânticos, uma união que muitos outros grupos estão trabalhando para alcançar e melhorar”.

As descobertas iniciais reunidas por Shaw e seus colegas são muito encorajadoras, destacando o potencial das técnicas de computação quântica na pesquisa metrológica. No futuro, este estudo poderá inspirar o desenvolvimento de outros relógios ópticos quânticos programáveis ​​que produzam desempenhos ainda melhores.

Uma semana depois que a equipe publicou seu artigo, outro grupo de pesquisa liderado por Shimon Kolkowitz em Berkeley publicou um artigo tentando realizar um relógio multiponteiro semelhante na Physical Review X. . Seu relógio multiponteiro foi criado usando uma técnica diferente, mas também destaca as vantagens de contar com mais de um relógio atômico por vez.

“Em nosso artigo recente, controlamos vários relógios atômicos individuais, mas os relógios em si eram relativamente simples:apenas átomos únicos”, acrescentou Shaw.

"Agora estamos trabalhando para usar o emaranhamento quântico entre átomos individuais dentro de cada relógio, para que cada 'ponteiro' do nosso relógio atômico se torne mais preciso. Isso deveria melhorar o desempenho do relógio e seria um verdadeiro híbrido de um computador quântico e um relógio atômico. "

Mais informações: Adam L. Shaw et al, Metrologia multiconjunto programando rotações locais com movimentos de átomos, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02323-w.
Xin Zheng et al, Reduzindo a instabilidade de um relógio de rede óptica usando múltiplos conjuntos atômicos, Revisão Física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011006.

Informações do diário: Física da Natureza , Revisão Física X

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