Um relógio atômico quântico emaranhado é muito preciso

Os relógios atômicos são os medidores de tempo mais precisos que temos hoje, e os melhores deles mostram a hora com uma precisão de um segundo a cada 15 bilhões de anos. Mas sempre há espaço para melhorias, como os pesquisadores do MIT demonstraram com o novo relógio atômico emaranhado quântico.

Os átomos vibram com tanta precisão que você pode sintonizar seu relógio com eles - que é exatamente o que um relógio atômico faz. Este relógio usa lasers para medir vibrações e o tempo é preciso o suficiente para atender aos padrões nacionais e internacionais. O átomo de césio-133, por exemplo, oscila exatamente a 9.192.631.770 vezes por segundo e é tão estável que esta amostra oficialmente designou o segundo desde 1968.

Agora, uma equipe de físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts desenvolveu um novo tipo de relógio atômico que pode empurrar os limites da precisão ainda mais. Idealmente, rastrear as vibrações de um átomo individual deveria ser a medida de tempo mais precisa, mas, infelizmente, flutuações quânticas aleatórias podem prejudicar as medições. Isso é conhecido como o limite quântico padrão.

Assim, os relógios quânticos normalmente rastreiam um gás composto de milhares de átomos do mesmo tipo - tradicionalmente césio - embora o itérbio tenha emergido como o novo líder nos últimos anos. Esses átomos são resfriados até quase zero absoluto, e então mantidos no lugar por lasers enquanto outro laser mede suas vibrações. Tirar a média de muitos átomos dá uma resposta mais precisa.

Infelizmente, os efeitos do limite quântico padrão podem ser reduzidos, mas não completamente eliminados. O novo relógio atômico, desenvolvido por uma equipe do MIT, reduz ainda mais o limite graças ao emaranhamento quântico.

Parece impossível, mas em alguns casos os átomos podem estar tão entrelaçados que medir o estado de um deles pode mudar instantaneamente o estado de seu parceiro - não importa o quão longe um do outro estejam. Isso é conhecido como emaranhamento quântico, e novos relógios usam esse fenômeno para medir o tempo com mais precisão.

Os pesquisadores começaram com cerca de 350 átomos de itérbio-171, que vibra ainda mais rápido do que o césio. Esses átomos caem em uma cavidade óptica entre dois espelhos, então um laser é direcionado para a cavidade para emaranhar quânticos os átomos.

"É como se a luz servisse como um elo entre os átomos", diz Chi Shu, co-autor do estudo. "O primeiro átomo que vir esta luz irá mudá-la um pouco, e essa luz também mudará o segundo átomo e o terceiro átomo, e através de muitos ciclos os átomos todos se reconhecem juntos e começam a se comportar da mesma forma."

Uma vez que os átomos estão emaranhados, um segundo laser é lançado através da nuvem para medir sua frequência média. Os cientistas descobriram que este método criou um relógio que pode atingir uma certa precisão quatro vezes mais rápido do que um relógio semelhante usando átomos não emaranhados.

Os pesquisadores dizem que o novo método pode tornar os relógios atômicos tão precisos que, mesmo 15 bilhões de anos depois, eles ainda estarão fora de sincronia por menos de 100 milissegundos. Além disso, eles podem ajudar os cientistas a explorar alguns dos quebra-cabeças mais desafiadores da física, como matéria escura, ondas gravitacionais e se as regras da física mudam com o tempo.

“À medida que o universo envelhece, a velocidade da luz muda?” Pergunta Vladan Vuletić, co-autor do estudo. “A carga de um elétron mudará? Isso é o que você pode estudar com um relógio atômico mais preciso. "

O estudo foi publicado na revista Nature.