Pela primeira vez, físicos da Universidade de Oxford conseguiram criar uma rede de relógios atômicos através do emaranhamento quântico. A façanha pode ajudar a tornar esses relógios tão precisos a ponto de se aproximarem do patamar de precisão da mecânica quântica. A pesquisa foi publicada nesta semana pela Nature.

Relógios atômicos são dispositivos que realizam a contagem das transições de energia dos elétrons de alguns elementos químicos para medir a passagem do tempo de forma extremamente precisa. Eles são capazes de atrasar-se menos de um segundo a cada um milhão de anos. No entanto, hoje já existem relógios atômicos que não se atrasariam sequer um segundo nem mesmo se funcionassem durante 138 milhões de anos.

Alcançar a precisão das comparações de frequência entre relógios atômicos tem potencial para ampliar nossa compreensão de todos os tipos de fenômenos naturais. Pode contribuir para a medição da variação espaço-temporal de constantes fundamentais, como também para a Geodésia onde a frequência dos relógios atômicos é usada para medir a altura de dois locais, e até mesmo na compreensão da matéria escura.

Agora, os físicos de Oxford demonstraram como torná-los ainda mais precisos. Pra isso, exploraram um fenômeno intrigante chamado entrelaçamento (ou emaranhamento) quântico. Nele, as partículas podem ficar tão entrelaçadas umas às outras que medir ou alterar uma delas afetará instantaneamente seu par, não importa a distância que estejam. Em teoria, as duas partículas poderiam estar em lados opostos do universo e ainda afetar uma à outra instantaneamente.

Einstein estranhou essa propriedade, pois a interação remota entre as partículas emaranhadas lhe parecia incompatível com elementos de sua teoria da relatividade. John Bell foi o responsável por formalizar o conceito, que hoje também pode ser chamado de emaranhamento de Bell. O fenômeno já têm aplicações práticas em áreas como computação quântica e criptografia,

O emaranhamento é considerado a chave para se alcançar o patamar fundamental de precisão determinado pela teoria quântica. Embora experimentos anteriores tenham demonstrado que o emaranhamento entre relógios no mesmo sistema possa ser usado para melhorar a qualidade das medições, esta é a primeira vez que pesquisadores conseguem fazer isso entre relógios em dois sistemas separados remotamente emaranhados. Isso abre caminho para comparar as frequências de átomos em locais separados com a maior precisão possível.

Bethan Nichol, um dos autores do estudo, disse: “Graças a anos de trabalho intenso de toda a equipe de Oxford, nosso aparelho de rede pode produzir pares de íons emaranhados com alta fidelidade e alta taxa, apenas com o apertar de um botão”.

Estado da arte da rede quântica

A equipe de Oxford usou uma rede quântica de última geração. Desenvolvida pelo Hub de Computação Quântica e Simulação (QCS), um consórcio de 17 universidades liderado pela Universidade de Oxford, essa rede foi projetada para computação quântica e comunicação, e não para medição quântica, mas o trabalho dos pesquisadores demonstrou a versatilidade de tais sistemas. Os dois relógios usados ​​para o experimento estavam a apenas 2 metros de distância, mas, em princípio, essas redes podem ser dimensionadas para cobrir distâncias muito maiores.

Cada um dos relógios atômicos continha um único íon de estrôncio. Um feixe de laser foi dividido em dois, então cada feixe foi modulado exatamente da mesma maneira antes de ser enviado para cada um dos relógios atômicos para atingir os íons de estrôncio, gerando um emaranhamento quântico entre os íons, mesmo que distantes.

“Embora nosso resultado seja uma prova de princípio, e a precisão absoluta que alcançamos seja algumas ordens de magnitude abaixo do estado da arte, esperamos que as técnicas mostradas aqui possam um dia melhorar sistemas de última geração” explica o Dr. Raghavendra Srinivas, um dos pesquisadores.

O professor David Lucas, cuja equipe em Oxford foi responsável pelo experimento, afirma que conseguiram mostrar a importância das redes quânticas para a metrologia, com aplicações em física fundamental, bem como nas áreas de criptografia quântica e computação quântica.

A equipe considera que as redes de relógio atômico emaranhadas possam ultrapassar o Limite Quântico Padrão (SQL), que surge como resultado de flutuações quânticas aleatórias que interferem nas medições. Além disso, a precisão pode começar a se aproximar do limite de Heisenberg, estabelecido pelas próprias leis da física quântica.

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