Negatividade quântica promete medições ultraprecisas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/08/2020

Em vez de um metro ou de uma balança, na metrologia quântica são usadas partículas para interagir com o que se quer medir.
[Imagem: Shukur et al. - 10.1038/s41467-020-17559-w]

Metrologia

Uma equipe internacional de físicos demonstrou que as partículas quânticas podem transportar uma quantidade ilimitada de informações sobre as coisas com as quais interagiram.

E uma propriedade física, chamada "negatividade quântica", pode explorar essas informações para fazer medições mais precisas do que qualquer "metro" consegue medir hoje - de distâncias moleculares a ondas gravitacionais.

A equipe já está trabalhando em dispositivos que incorporem a descoberta, com o objetivo de viabilizar medições muito mais precisas em várias tecnologias, de microscópios a computadores quânticos.

Isso criará instrumentos fundamentais para a nascente metrologia quântica, que usa o comportamento das partículas subatômicas para fazer medições ultraprecisas - a metrologia é a ciência das estimativas e medições.

Para entender como isso é feito, é necessário dar uma olhada no "jeito quântico" de encarar a coisas.

Negatividade quântica

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 negativa.

Essa quase-probabilidade permite que conceitos quânticos - como a "ação fantasmagórica à distância" de Einstein e a dualidade partícula-onda - 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". David Shukur e seus colegas demonstraram agora que essa negatividade quântica pode ajudar a fazer medidas mais precisas.

Várias tecnologias quânticas já em uso poderão melhorar com as novas medições.
[Imagem: Julian Kelly]

Toda a metrologia precisa de instrumentos, que podem ser réguas, termômetros etc. A metrologia quântica, no entanto, precisa de partículas quânticas funcionando como sondas, que são então postas para interagir com a coisa que está sendo medida. Em seguida, as partículas são analisadas por um dispositivo de detecção para se interpretar a medição.

"Nós adaptamos ferramentas da teoria da informação padrão para quase-probabilidades e mostramos que filtrar partículas quânticas pode condensar as informações de um milhão de partículas em uma," explicou David Arvidsson, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. "Isso significa que os dispositivos de detecção podem operar em sua taxa ideal de influxo e receberem informações correspondentes a taxas muito mais altas. Isso é proibido de acordo com a teoria normal das probabilidades, mas a negatividade quântica torna isso possível".

Metrologia quântica

Um experimento realizado por parte da equipe na Universidade de Toronto, no Canadá, já começou a construir a tecnologia para usar esses novos resultados teóricos.

O objetivo é criar um dispositivo 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.

A metrologia quântica pode também melhorar as medições de coisas mais triviais, incluindo distâncias, ângulos, temperaturas e campos magnéticos.

E essas medições mais precisas podem levar a tecnologias melhores e mais rápidas. Por exemplo, muitas tecnologias dependem do alinhamento preciso dos componentes ou da capacidade de detectar pequenas alterações nos campos elétrico ou magnético. Uma 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.

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