Historicamente, o JILA (um instituto conjunto estabelecido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia [NIST] e pela Universidade do Colorado Boulder) tem sido líder mundial em cronometragem de precisão usando relógios atômicos ópticos. Estes relógios aproveitam as propriedades intrínsecas dos átomos para medir o tempo com precisão e exatidão incomparáveis, representando um salto significativo na nossa busca para quantificar a mais elusiva das dimensões:o tempo.



Porém, a precisão desses relógios tem limites fundamentais, incluindo o “noise floor”, que é afetado pelo “ruído de projeção quântica” (QPN). “Isso vem das estatísticas de spin dos qubits individuais, a natureza verdadeiramente quântica dos átomos que estão sendo investigados”, elaborou a estudante de pós-graduação da JILA, Maya Miklos.

Comparações de relógios de última geração, como aquelas dirigidas por JILA e Jun Ye, membro do NIST, estão cada vez mais perto desse limite fundamental de ruído. Porém, esse limite pode ser contornado gerando emaranhamento quântico nas amostras atômicas, aumentando sua estabilidade.

Agora, a equipe de Ye, em colaboração com James K. Thompson, bolsista da JILA, usou um processo específico conhecido como compressão de spin para gerar emaranhamento quântico, resultando em uma melhoria no desempenho do relógio operando nas 10 ^-17 nível de estabilidade. Sua nova configuração experimental, publicada na Nature Physics , também permitiu aos pesquisadores comparar diretamente dois conjuntos independentes com compressão de spin para compreender esse nível de precisão na medição do tempo, um nível nunca antes alcançado com um relógio de rede óptica com compressão de spin.

O desenvolvimento destes relógios atômicos ópticos aprimorados tem implicações de longo alcance. Além do domínio da cronometragem, eles apresentam vantagens potenciais para uso em diversas explorações científicas, incluindo testes de princípios fundamentais da física, melhoria de tecnologias de navegação e possivelmente contribuição para a detecção de ondas gravitacionais.

“Avançar o desempenho do relógio óptico até e além dos limites fundamentais impostos pela natureza já é uma busca científica interessante”, explicou o estudante de pós-graduação da JILA, John Robinson, o primeiro autor do artigo. "Quando se considera que física você pode descobrir com a sensibilidade aprimorada, isso mostra um quadro muito emocionante para o futuro."

Um conjunto barulhento de átomos

Os relógios atômicos ópticos funcionam não por meio de engrenagens e pêndulos, mas por meio de ritmos orquestrados entre átomos e excitação laser.

O QPN representa um obstáculo fundamental à precisão destes relógios. Este fenômeno surge da incerteza inerente presente nos sistemas quânticos. No contexto dos relógios atômicos ópticos, o QPN se manifesta como uma perturbação sutil, mas generalizada, semelhante a um ruído de fundo que pode obscurecer a clareza da medição do tempo.

"Como cada vez que você mede um estado quântico, ele é projetado em um nível de energia discreto, o ruído associado a essas medições parece jogar um monte de moedas e contar se elas aparecem como cara ou coroa", disse Miklos.

"Então, você obtém essa escala da lei dos grandes números, onde a precisão da sua medição aumenta com a raiz quadrada de N, o número do seu átomo. Quanto mais átomos você adicionar, melhor será a estabilidade do seu relógio. No entanto, há Existem limites para isso porque, após certas densidades, você pode ter mudanças de interação dependentes da densidade, que degradam a estabilidade do seu relógio."

Existem também limites práticos para o número alcançável de átomos em um relógio. Entretanto, o emaranhamento pode ser utilizado como recurso quântico para contornar esse ruído de projeção. Miklos acrescentou:"Essa raiz quadrada da escala N é válida se essas partículas não estiverem correlacionadas. Se você puder gerar emaranhamento em sua amostra, poderá alcançar uma escala ideal que aumenta com N."

Para enfrentar o desafio colocado pelo QPN, os pesquisadores empregaram uma técnica conhecida como spin squeezing. Neste processo, os estados quânticos dos átomos são delicadamente ajustados. Embora as incertezas de uma medição quântica sempre obedeçam ao princípio da incerteza de Heisenberg, esses spins são “espremidos” através de intervenções precisas, reduzindo a incerteza em uma direção e aumentando-a em outra.

Realizar a compressão do spin em relógios ópticos é uma conquista relativamente nova, mas recursos emaranhados de forma semelhante, como a luz comprimida, têm sido usados ​​em outros campos. "LIGO [Observatório de ondas gravitacionais com interferômetro a laser] já empregou a compressão de estados de vácuo para melhorar suas medições de comprimentos de interferômetro para detecção de ondas gravitacionais", explicou Yee Ming Tso, estudante de graduação da JILA.

Criando um 'elevador' quântico

Para conseguir a compressão do spin, a equipe criou uma nova configuração de laboratório que compreende uma rede móvel vertical 1D que se cruza com uma cavidade óptica (um ressonador composto por dois espelhos) ao longo da direção horizontal. Os pesquisadores usaram os feixes de laser da rede para mover os conjuntos atômicos para cima e para baixo em toda a rede como um elevador, com alguns grupos de átomos, ou subconjuntos, entrando na cavidade.

Este projeto foi inspirado por uma colaboração recente entre o grupo de pesquisa Ye e o JILA Fellow Adam Kaufman, que também explorou o spin-squeezing em outras configurações de laboratório.

"Até este ponto, a compressão de spin em relógios ópticos só tinha sido implementada em experimentos de prova de princípio, onde o ruído do laser do relógio obscurecia o sinal", disse Robinson.

"Queríamos observar o impacto positivo da compressão de spin diretamente, e então transformamos a rede óptica neste elevador de modo que pudéssemos comprimir o spin de forma independente e comparar vários subconjuntos e, desta forma, remover o impacto negativo do laser de relógio."

Esta configuração também permitiu aos investigadores mostrar que o emaranhado quântico sobreviveu durante o transporte destes subconjuntos atómicos.

Usando a cavidade óptica, os pesquisadores manipularam os átomos para formar estados emaranhados e comprimidos por spin. Isto foi conseguido medindo as propriedades coletivas dos átomos no chamado estilo de “não demolição quântica” (QND).

QND mede a propriedade de um sistema quântico para que a medição não perturbe essa propriedade. Duas medições QND repetidas exibem o mesmo ruído quântico e, tomando a diferença, pode-se aproveitar o cancelamento do ruído quântico.

Em um sistema acoplado átomo-cavidade, a interação entre a luz que sonda a cavidade óptica e os átomos localizados na cavidade permitiu aos pesquisadores projetar os átomos em um estado comprimido por spin com impacto reduzido da incerteza QPN. Os pesquisadores então usaram a rede semelhante a um elevador para embaralhar um grupo independente de átomos na cavidade, formando um segundo conjunto comprimido por rotação dentro do mesmo aparato experimental.

Comparando relógio com relógio

Uma inovação importante neste estudo foi comparar diretamente os dois subconjuntos atômicos. Graças à rede vertical, os pesquisadores puderam mudar quais subconjuntos atômicos estavam na cavidade, comparando diretamente seus desempenhos medindo alternadamente o tempo indicado por cada subconjunto comprimido por rotação.

"Primeiro, realizamos uma comparação clássica do relógio de dois subconjuntos atômicos sem compressão de spin", explicou Tso. "Em seguida, apertamos o spin de ambos os subconjuntos e comparamos o desempenho dos dois relógios comprimidos por spin. No final, concluímos que o par de relógios comprimidos por spin teve um desempenho melhor do que o par de relógios clássicos em termos de estabilidade por um melhoria de cerca de 1,9 dB [melhoria de ~25%]. Isso é bastante decente como o primeiro resultado de nossa configuração experimental."

Essa melhoria de estabilidade persistiu mesmo quando o desempenho médio dos clocks caiu para o nível de 10 ^-17 estabilidade de frequência fracionária, uma nova referência para desempenho de clock de rede óptica comprimida por spin. "Em uma geração deste experimento, fechamos aproximadamente a metade do caminho entre a estabilidade dos melhores relógios com rotação forçada e os melhores relógios clássicos para medição de precisão", elaborou Miklos, que, com o resto da equipe, espera melhorar ainda mais esse valor.

Uma exploração além da cronometragem

Com a sua comparação de conjunto duplo, esta configuração experimental marca um passo significativo no sentido de aproveitar a mecânica quântica para avanços práticos e teóricos, incluindo em campos tão variados como a navegação até à física fundamental, permitindo testes de teorias gravitacionais e contribuindo para a procura de uma nova física.

Miklos, Tso e o resto da equipe estão esperançosos de que sua nova configuração lhes permitirá mergulhar mais fundo nos fundamentos da gravidade.

“As medições precisas do desvio para o vermelho gravitacional, que foram feitas recentemente no nosso laboratório, são algo que gostaríamos de analisar mais detalhadamente usando este projeto experimental”, acrescentou Miklos. "Esperamos que isso possa nos dizer mais sobre o universo em que vivemos."

Mais informações: John M. Robinson et al, Comparação direta de dois conjuntos de relógios ópticos com compressão de spin em 10 ⁻¹⁷ nível, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02310-1
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido por JILA