Precisão das medições: Enganar Heisenberg não é fácil

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/01/2020

Dois sistemas optomecânicos quânticos diferentes usados para demonstrar novas dinâmicas em medições que atrapalham as técnicas que vinham sendo usadas. Esquerda (amarelo): nanofeixe de silício que suporta os modos óptico e mecânico de 5 GHz, operado em um criostato de hélio-3 a 4 Kelvin e sondado usando um laser enviado em uma fibra óptica. Direita (roxo): circuito supercondutor de microondas acoplado a um capacitor mecânico de 6 MHz, operado em um refrigerador de diluição a 15 mili-Kelvin.
[Imagem: I. Shomroni/EPFL]

Precisão das medições

Uma equipe da Suíça e da Inglaterra estava tentando levar as medições de distância e movimento ao limite, quando se depararam com um novo tipo de dinâmica desconhecida, que agora terá que ser levada em conta em todas as tentativas de aumentar a precisão dessas medições.

Os limites das medições clássicas de movimento mecânico têm ultrapassado todas as expectativas nos últimos anos, por exemplo, na primeira observação direta das ondas gravitacionais, que se manifestam como deslocamentos minúsculos de espelhos em interferômetros ópticos construídos na escala de quilômetros.

Na escala microscópica, os microscópios de força atômica e de ressonância magnética já conseguem revelar a estrutura atômica dos materiais e até detectar a rotação de átomos individuais.

Mas a sensibilidade que podemos alcançar usando meios puramente convencionais é limitada. Por exemplo, o princípio da incerteza de Heisenberg na mecânica quântica implica a presença da chamada "ação reversa da medição": o conhecimento exato da localização de uma partícula invariavelmente destrói qualquer conhecimento de seu momento e, portanto, impossibilita prever qualquer um de seus futuros locais.

• Quebrado Limite Quântico nas medições de força e posição

Driblando Heinsenberg

As técnicas para fugir dessa ação reversa têm sido projetadas basicamente para "contornar" o princípio da incerteza de Heisenberg, controlando cuidadosamente quais informações são obtidas e o que não está em uma medição, por exemplo medindo apenas a amplitude de um oscilador e ignorando sua fase.

Em princípio, esses métodos têm sensibilidade ilimitada, mas ao custo de se obter apenas metade das informações disponíveis.

Mas, desafios técnicos à parte, os cientistas vinham assumindo que quaisquer efeitos dinâmicos decorrentes dessa interação optomecânica não trariam quaisquer complicações adicionais.

Itay Shomroni e seus colegas descobriram que não é bem assim, e que driblar o princípio de Heisenberg é mais complicado do que parecia.

Enquanto tentavam melhorar a sensibilidade das medições, os físicos descobriram que pequenos desvios na frequência óptica, juntamente com desvios na frequência mecânica, podem ter resultados graves - mesmo na ausência de efeitos anômalos - à medida que as oscilações mecânicas começam a se amplificar e ficar fora de qualquer controle, imitando a física do que é conhecido como "oscilador paramétrico degenerado".

O mesmo comportamento foi encontrado em dois sistemas optomecânicos profundamente diferentes, um operando com radiação óptica e outro com radiação de micro-ondas, confirmando que a dinâmica não é exclusiva de nenhum sistema em particular.

"Outras instabilidades dinâmicas são conhecidas há décadas e demonstram afetar os sensores de ondas gravitacionais," disse Shomroni. "Agora, estes novos resultados terão que ser levados em consideração no projeto de futuros sensores quânticos e em aplicações relacionadas, como a amplificação quântica sem retroação".

Bibliografia:

Artigo: Two-Tone Optomechanical Instability and Its Fundamental Implications for Backaction-Evading Measurements
Autores: Itay Shomroni, Amir Youssefi, Nick Sauerwein, Liu Qiu, Paul Seidler, Daniel Malz, Andreas Nunnenkamp, Tobias J. Kippenberg
Revista: Physical Review X
Vol.: 9, 041022
DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041022