A prática de manter o tempo depende de oscilações estáveis. Em um relógio de pêndulo, a duração de um segundo é marcada por uma única oscilação do pêndulo. Num relógio digital, as vibrações de um cristal de quartzo marcam frações de tempo muito menores. E nos relógios atômicos, os cronometristas de última geração do mundo, as oscilações de um feixe de laser estimulam os átomos a vibrar 9,2 bilhões de vezes por segundo. Estas divisões de tempo mais pequenas e mais estáveis ​​definem o tempo para as actuais comunicações por satélite, sistemas GPS e mercados financeiros.



A estabilidade de um relógio depende do ruído em seu ambiente. Um vento fraco pode dessincronizar o balanço de um pêndulo. E o calor pode perturbar as oscilações dos átomos num relógio atômico. A eliminação de tais efeitos ambientais pode melhorar a precisão do relógio. Mas apenas até certo ponto.

Um novo estudo do MIT conclui que mesmo que todo o ruído do mundo exterior seja eliminado, a estabilidade dos relógios, raios laser e outros osciladores ainda seria vulnerável aos efeitos da mecânica quântica. A precisão dos osciladores seria, em última análise, limitada pelo ruído quântico.

Mas, em teoria, existe uma maneira de ultrapassar esse limite quântico. No seu estudo, os investigadores também mostram que ao manipular, ou “comprimir”, os estados que contribuem para o ruído quântico, a estabilidade de um oscilador pode ser melhorada, mesmo ultrapassando o seu limite quântico.

“O que mostramos é que na verdade há um limite para a estabilidade de osciladores como lasers e relógios, que é definido não apenas pelo ambiente, mas pelo fato de que a mecânica quântica os força a balançar um pouco”, diz Vivishek. Sudhir, professor assistente de engenharia mecânica no MIT. "Então, mostramos que existem maneiras de contornar esse tremor da mecânica quântica. Mas você tem que ser mais inteligente do que apenas isolar a coisa de seu ambiente. Você tem que brincar com os próprios estados quânticos."

A equipe está trabalhando em um teste experimental de sua teoria. Se conseguirem demonstrar que podem manipular os estados quânticos num sistema oscilante, os investigadores prevêem que relógios, lasers e outros osciladores poderão ser ajustados para uma precisão superquântica. Esses sistemas poderiam então ser usados ​​para rastrear diferenças infinitamente pequenas no tempo, como as flutuações de um único qubit em um computador quântico ou a presença de uma partícula de matéria escura flutuando entre os detectores.

“Planejamos demonstrar vários exemplos de lasers com capacidade de cronometragem aprimorada quântica nos próximos anos”, diz Hudson Loughlin, estudante de pós-graduação do Departamento de Física do MIT. "Esperamos que nossos recentes desenvolvimentos teóricos e experimentos futuros aprimorem nossa capacidade fundamental de manter o tempo com precisão e possibilitem novas tecnologias revolucionárias."

Loughlin e Sudhir detalham seu trabalho em um artigo de acesso aberto publicado na revista Nature Communications .

Precisão do laser

Ao estudar a estabilidade dos osciladores, os pesquisadores olharam primeiro para o laser – um oscilador óptico que produz um feixe semelhante a uma onda de fótons altamente sincronizados. A invenção do laser é amplamente creditada aos físicos Arthur Schawlow e Charles Townes, que cunharam o nome a partir de sua sigla descritiva:amplificação de luz por emissão estimulada de radiação.

O design de um laser centra-se em um “meio laser” – uma coleção de átomos, geralmente embutidos em vidro ou cristais. Nos primeiros lasers, um tubo de flash envolvendo o meio de laser estimularia os elétrons nos átomos a aumentarem a energia. Quando os elétrons relaxam de volta para uma energia mais baixa, eles emitem alguma radiação na forma de um fóton.

Dois espelhos, em cada extremidade do meio de laser, refletem o fóton emitido de volta aos átomos para estimular mais elétrons e produzir mais fótons. Um espelho, juntamente com o meio de laser, atua como um “amplificador” para aumentar a produção de fótons, enquanto o segundo espelho é parcialmente transmissivo e atua como um “acoplador” para extrair alguns fótons como um feixe concentrado de luz laser.

Desde a invenção do laser, Schawlow e Townes apresentaram a hipótese de que a estabilidade do laser deveria ser limitada pelo ruído quântico. Desde então, outros testaram suas hipóteses modelando as características microscópicas de um laser. Através de cálculos muito específicos, eles mostraram que, de fato, interações quânticas imperceptíveis entre os fótons e átomos do laser poderiam limitar a estabilidade de suas oscilações.

“Mas esse trabalho teve a ver com cálculos extremamente detalhados e delicados, de forma que o limite fosse compreendido, mas apenas para um tipo específico de laser”, observa Sudhir. "Queríamos simplificar enormemente isso, para entender os lasers e uma ampla gama de osciladores."

Colocando o 'aperto'

Em vez de se concentrar nas complexidades físicas do laser, a equipe procurou simplificar o problema.

“Quando um engenheiro elétrico pensa em fazer um oscilador, ele pega um amplificador e alimenta a saída do amplificador em sua própria entrada”, explica Sudhir. "É como uma cobra comendo o próprio rabo. É uma forma de pensar extremamente libertadora. Você não precisa conhecer os detalhes de um laser. Em vez disso, você tem uma imagem abstrata, não apenas de um laser, mas de todos os osciladores ."

Em seu estudo, a equipe elaborou uma representação simplificada de um oscilador semelhante a um laser. Seu modelo consiste em um amplificador (como os átomos de um laser), uma linha de atraso (por exemplo, o tempo que a luz leva para viajar entre os espelhos de um laser) e um acoplador (como um espelho parcialmente reflexivo).

A equipe então escreveu as equações da física que descrevem o comportamento do sistema e realizou cálculos para ver onde o ruído quântico surgiria no sistema.

“Ao abstrair este problema para um oscilador simples, podemos identificar onde as flutuações quânticas entram no sistema, e elas entram em dois lugares:o amplificador e o acoplador que nos permite obter um sinal do oscilador”, diz Loughlin. "Se soubermos essas duas coisas, saberemos qual é o limite quântico para a estabilidade desse oscilador."

Sudhir diz que os cientistas podem usar as equações que apresentam em seus estudos para calcular o limite quântico em seus próprios osciladores.

Além do mais, a equipe mostrou que esse limite quântico poderia ser superado, se o ruído quântico em uma das duas fontes pudesse ser “comprimido”. A compressão quântica é a ideia de minimizar as flutuações quânticas em um aspecto de um sistema às custas de aumentar proporcionalmente as flutuações em outro aspecto. O efeito é semelhante a espremer o ar de uma parte de um balão para outra.

No caso de um laser, a equipe descobriu que se as flutuações quânticas no acoplador fossem comprimidas, isso poderia melhorar a precisão, ou o tempo das oscilações, no feixe de laser de saída, mesmo que o ruído na potência do laser aumentasse como resultado. .

“Quando você encontra algum limite da mecânica quântica, sempre surge a dúvida sobre quão maleável é esse limite?” Sudhir diz. "É realmente uma parada brusca ou ainda há algum suco que você pode extrair manipulando alguma mecânica quântica? Nesse caso, descobrimos que sim, o que é um resultado aplicável a uma enorme classe de osciladores."

Mais informações: Hudson A. Loughlin et al, Ruído quântico e sua evasão em osciladores de feedback, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42739-9
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.