Sensores quânticos usam ciência “assustadora” para medir o mundo com precisão sem precedentes
O emaranhamento quântico pode permanecer assustador, mas tem um lado muito prático.
- Os sistemas quânticos e o emaranhamento quântico podem nos ajudar a sentir cuidadosamente um ambiente e medi-lo com precisão incomparável.
- Um sensor quântico observa essencialmente como uma partícula interage com seu ambiente.
- O emaranhamento quântico pode permanecer misterioso, mas também tem um lado muito prático.
Este é o terceiro artigo de uma série de quatro partes sobre como o emaranhamento quântico está mudando a tecnologia e como entendemos o Universo ao nosso redor. Nos artigos anteriores, discutimos o que entrelaçamento quântico é e como podemos usá-lo para revolucionar a forma como nos comunicamos . Neste artigo, discutimos sensores quânticos, como o mundo microscópico está nos permitindo medir o mundo macroscópico com incrível precisão e por que isso é importante.
Quando você pisou na balança do banheiro esta manhã, provavelmente mediu seu peso com precisão em cerca de um décimo de libra. As chances são de que é tudo que você precisa. Mas há momentos em que você deseja pesar algo com mais precisão, como uma correspondência. As balanças nos correios pesarão um envelope mais finamente do que sua balança de banheiro. Isso é precisão e é um fator importante na medição.
Há casos em que medições extremamente precisas são críticas. Saber como medir com precisão a localização permite que o GPS o ajude a navegar até os correios. Medidas ainda mais precisas permitem que uma espaçonave pouse em Marte.
Medições aprimoradas podem nos ajudar a fazer mais e entender mais. É aqui que os sistemas quânticos e o emaranhamento podem ser usados. Eles podem nos ajudar a sentir cuidadosamente um ambiente e medi-lo com precisão incomparável.
Poderes sensoriais extras
A decoerência é um grande problema para o quantum comunicações . Isso acontece quando as partículas quânticas interagem com algo em seu ambiente – por exemplo, a borda de um cabo de fibra ótica – fazendo com que sua função de onda entre em colapso.
A decoerência acontece porque os estados quânticos são intensamente sensíveis ao seu ambiente. Este é um problema para as comunicações quânticas, mas na verdade é um benefício quando se trata de sensoriamento. Suas reações a pequenas mudanças no ambiente são precisamente o que torna os sensores quânticos tão precisos, permitindo que eles alcancem uma precisão que nunca antes sonhamos ser possível.
Um sensor quântico observa essencialmente como uma partícula interage com seu ambiente. Existem sensores quânticos de diferentes tipos que podem medir todos os tipos de coisas – campos magnéticos, tempo, distância, temperatura, pressão, rotação e uma série de outros observáveis. À medida que entramos em mais detalhes sobre como os sensores quânticos funcionam, podemos ter um vislumbre de seu poder e como eles podem afetar nossas vidas.
Vendo profundamente no chão
No original Parque jurassico , paleontólogos para compor uma imagem de ossos de dinossauros escondidos no subsolo. A cena é um pouco ridículo , mas nos ajuda a entender o impacto de uma ferramenta que nos permite ver o subsolo sem cavar. Tal tecnologia pode não nos ajudar a encontrar esqueletos de dinossauros surpreendentemente intactos, mas pode nos ajudar a localizar uma série de outras coisas – poços de minas, tubos ou cabos abandonados, aquíferos e qualquer variedade de irregularidades subterrâneas. Saber onde as coisas estão no subsolo antes de começarem a cavar pode ajudar as empresas a economizar milhões de dólares durante a construção de qualquer coisa, desde metrôs a arranha-céus.
Como os átomos podem ajudar? Assim como o Sol e a Terra, as coisas ao nosso redor têm uma atração gravitacional – embora muito menor. A matéria densa como um veio de granito teria uma força gravitacional maior do que um túnel de metrô vazio. A diferença pode ser pequena quando medida acima do solo, mas um sensor suficientemente preciso pode detectá-la.
Usando átomos como sensores quânticos, um grupo da Universidade de Birmingham ilustrou como esses sensores podem ser precisos . Eles colocaram dois átomos em um campo gravitacional, dando um pequeno “chute” para cima. Este átomo caiu sob a força da gravidade. Como as partículas podem agir como ondas, os dois átomos se interpõem, criando um padrão de interferência. Duas cristas das ondas atômicas podem se alinhar, causando interferência construtiva. Alternativamente, uma crista pode se alinhar com uma calha, causando interferência destrutiva. Uma pequena diferença na gravidade mudaria o padrão de interferência dos átomos, permitindo medições minuciosas no campo gravitacional.
Isso não apenas nos permite saber o que está sob nossos pés, mas também pode nos ajudar a prever quando os vulcões entrarão em erupção. O magma preenchendo uma câmara vazia sob um vulcão mudará a gravidade local. Sensores distribuídos sobre um vulcão podem ser capazes de detectar quando uma câmara está se enchendo e, com sorte, dar um aviso prévio antes de uma erupção.
Não há tempo como o tempo quântico
Os relógios atômicos são outro exemplo de sensores quânticos que podem gerar extrema precisão. Esses relógios dependem da natureza quântica dos átomos. Para começar, todos os elétrons em um átomo têm alguma energia. Imagine o elétron orbitando o núcleo a uma certa distância. O elétron só pode orbitar em estados discretos separados por níveis de energia altamente específicos. Para mudar de um nível de energia para outro, o elétron pode absorver um fóton de uma frequência precisa para subir ou emitir um fóton para descer. Um relógio atômico funciona quando um elétron muda seu estado de energia ao redor do átomo.
Neste momento, a hora padrão dos Estados Unidos é determinada por um relógio atômico de césio em Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Este relógio é tão preciso que não ganhará nem perderá um segundo em 100 milhões de anos. Para medir o tempo com tanta precisão, o relógio usa um feixe de laser para inundar átomos de césio com frequências de luz extremamente precisas, chutando seus elétrons para níveis mais altos. A calibração precisa da frequência de luz do laser é o que permite obter o tempo. (Lembre-se de que a frequência é o inverso do tempo.)
Podemos fazer ainda melhor se nossos átomos não estiverem trabalhando por conta própria, mas sim emaranhados uns com os outros. Em 2020, um equipe do MIT fez um relógio atômico usando átomos emaranhados . A precisão deste relógio é verdadeiramente alucinante: ele perde apenas 100 milissegundos com a idade do Universo.
Do muito pequeno ao muito grande
Sensores quânticos podem permitir que nossos telescópios e microscópios nos mostrem mais.
Normalmente, quando pensamos em explorar o Universo, imaginamos um telescópio que coleta fótons – sejam eles ópticos, infravermelhos ou rádio. Mas também podemos explorar o Universo usando ondas gravitacionais.
Inscreva-se para receber histórias contra-intuitivas, surpreendentes e impactantes entregues em sua caixa de entrada todas as quintas-feirasQuando um par de buracos negros se fundem ou uma supernova explode, o tecido do espaço e do próprio tempo é esticado e comprimido como ondulações em um lago. Podemos detectar essas ondulações usando um interferômetro, que compara precisamente a distância para duas direções perpendiculares. Para medir isso, o instrumento envia um feixe de luz em cada eixo. Os feixes refletem nos espelhos, retornam à fonte e se recombinam, criando um padrão de interferência. Se uma ondulação de uma onda gravitacional passa pelo interferômetro em uma direção, ela pode ser esticada levemente, enquanto na outra seria comprimida, fazendo com que o padrão de interferência mude. Essa diferença é pequena, mas indicaria a passagem de uma onda gravitacional.
Aqui, novamente, fótons emaranhados podem oferecer uma vantagem. A capacidade de medição do interferômetro é limitada pela diferença nos tempos de chegada dos fótons dentro do feixe de luz. Simplificando, alguns dos fótons chegam mais cedo ao detector do que outros. Ao combinar fótons emaranhados e uma técnica chamada “compressão de fótons” com o Princípio da Incerteza de Heisenberg, podemos reduzir a propagação nos tempos de chegada desses fótons em detrimento de outro observável. Usando esse método, interferômetros como LIGO e Virgo podem detectar vibrações 100.000 vezes menores que um núcleo atômico.
Espremer a luz também pode ajudar a melhorar a sensibilidade dos microscópios. Para que um microscópio funcione, a luz deve iluminar o assunto. À medida que a luz reflete na amostra e retorna ao microscópio, a aleatoriedade no tempo de chegada do fóton introduz ruído. Normalmente, esse ruído de disparo, como é chamado, pode ser reduzido aumentando o brilho. Mas em algum momento, a intensidade da luz realmente danifica a amostra, especialmente se for algum tipo de tecido biológico. Uma equipe da Universidade de Queensland mostrou que usando fótons emaranhados e apertá-los aumentou a sensibilidade do microscópio sem fritar a amostra.
Medir é entender nosso ambiente em um nível mais profundo. Sejam de temperatura, campo elétrico, pressão ou tempo, essas medições são mais do que números. Eles tratam de entender o que esses números significam e como usar pequenas mudanças. Sensores quânticos podem ser usados em ressonâncias magnéticas e em navegando sem sistemas GPS . Eles podem ajudar carros autônomos sentem melhor seu ambiente e os cientistas prevêem erupções vulcânicas. O emaranhamento quântico pode permanecer misterioso , mas também tem um lado muito prático.
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