Quebrado Limite Quântico nas medições de força e posição

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/06/2019

A técnica é inédita, mas muito simples, o que facilitará seu uso prático em outros experimentos e laboratórios. 
[Imagem: Mason et al. - 10.1038/s41567-019-0533-5]

Limite de precisão

A precisão das medições de força e posição foi elevada a um novo patamar, graças a uma colaboração de pesquisadores da Universidade de Copenhague e Instituto Niels Bohr, na Dinamarca.

O experimento é o primeiro a superar o chamado "Limite Quântico Padrão", ou SQL (Standard Quantum Limit), que se impõe como uma barreira nas técnicas ópticas mais comuns e mais bem-sucedidas para medições de posição ultraprecisas.

Em 2014, uma equipe norte-americana detectou a menor força já medida, chegando muito próximo do SQL, mas não o venceram. Na verdade, os físicos e engenheiros têm tentado vencer o Limite Quântico há mais de 50 anos, usando uma variedade de técnicas - mas sem sucesso até agora.

David Mason e seus colegas quebraram a barreira fazendo uma modificação simples na abordagem mais utilizada, o que lhes permitiu cancelar o ruído quântico na medição o bastante para ultrapassar o limite.

O resultado - e o próprio experimento - têm implicações importantes para as técnicas de astronomia de ondas gravitacionais, para a microscopia de força atômica, em várias técnicas de nanotecnologia e em todo o campo dos sensores quânticos, que vêm detonando as fronteiras da precisão em várias áreas.

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Incerteza e imprecisão

Ações quânticas têm consequências quânticas. No contexto das medições, isso geralmente significa que o próprio ato de medir um sistema o perturba. Esse efeito é chamado de ação reversa, ou retroação (backaction), e é uma consequência das incertezas fundamentais dos sistemas em escala atômica, englobadas no Princípio da Incerteza de Heisenberg.

Em muitos casos, essa incerteza estabelece um limite para a precisão com que uma medida pode ser obtida porque, além de um determinado número de algarismos depois da vírgula, tudo é incerto.

Telescópios de ondas gravitacionais, como o LIGO e o Virgo, refletem a luz do laser em um espelho para medir sua posição, em uma configuração óptica conhecida como interferômetro. A imprecisão dessa medição pode ser melhorada aumentando a potência do laser, mas eventualmente as reflexões aleatórias dos fótons do laser perturbarão a posição do espelho, levando a uma medição menos sensível, que deixará objetos astronômicos fracos ou distantes fora do campo de detecção.

O Limite Quântico Padrão (SQL) é estabelecido quando se consegue um equilíbrio ótimo entre a retroação e o ruído responsável pela imprecisão. Esse nível mínimo de ruído define, por exemplo, a melhor precisão possível obtida por qualquer interferômetro.

Uma fina membrana de nitreto de silício (branco) é esticada ao longo de um quadro de silício (azul). A membrana contém um padrão de orifícios, com uma pequena ilha no centro, cujas vibrações foram medidas no experimento.
[Imagem: Niels Bohr Institute]

Vencendo o Limite Quântico Padrão

Mason e seus colegas conseguiram romper o SQL através de uma combinação engenhosa de técnicas ópticas e nanomecânicas, permitindo realizar a primeira medição da posição de um objeto com uma precisão que supera o limite.

Assim como o LIGO, a nova abordagem usa um interferômetro a laser para medir uma posição, neste caso a posição de uma membrana feita de nitreto de silício cerâmico. Embora muito fina (20 nanômetros), a membrana tem vários milímetros de largura e é facilmente visível a olho nu.

O truque para ir além do SQL envolve fazer uma medição dupla da luz refletida pela membrana. Nesta configuração, o detector é capaz de medir simultaneamente a imprecisão e a retroação de uma maneira que permite que essas fontes de ruído se anulem mutuamente. Em outras palavras, o que resta é uma medida "limpa".

Usando essa técnica, equipe mediu a posição de sua membrana com precisão quase 30% melhor do que o "permitido" pelo SQL.

"Nós estamos usando efeitos quânticos que emergem na própria configuração da medição, então o esforço tecnológico extra é realmente muito pequeno. Essa é uma boa notícia para possíveis aplicações práticas," disse Mason.

Bibliografia:

Artigo: Continuous force and displacement measurement below the standard quantum limit
Autores: David Mason, Junxin Chen, Massimiliano Rossi, Yeghishe Tsaturyan, Albert Schliesser
Revista: Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-019-0533-5