MADRID 17 jun. (EUROPA PRESS) -
Um protótipo de sensor quântico desenvolvido por pesquisadores do Imperial College de Londres (Reino Unido) demonstrou, pela primeira vez, que um princípio fundamental no qual se baseiam os detectores quânticos de próxima geração pode funcionar em condições reais.
O estudo, publicado na revista “Nature”, demonstra como a comparação entre dois interferômetros atômicos de longa distância — instrumentos que utilizam lasers para medir com precisão o comportamento dos átomos — permite eliminar eficazmente o ruído experimental.
Isso permite recuperar sinais mesmo quando as medições individuais ficam saturadas e abre caminho para a busca por ondas gravitacionais do universo primitivo e por indícios de formas exóticas de matéria escura.
Este trabalho faz parte da colaboração Atom Interferometer Observatory and Network (AION). Liderada pelo Imperial College, a AION reúne pesquisadores de instituições de todo o Reino Unido para desenvolver tecnologias de detecção quântica de última geração.
Compreender de que o Universo é feito e identificar novas fontes de ondas gravitacionais continuam sendo desafios importantes na física moderna. Ambos os problemas exigem a medição de sinais extremamente fracos que podem se perder facilmente no ruído de fundo. Encontrar métodos confiáveis para detectá-los é fundamental para explorar regiões do universo às quais os experimentos atuais não têm acesso.
Os interferômetros atômicos de longa distância de base se destacam como uma das ferramentas mais promissoras para esse fim. Eles funcionam utilizando lasers para separar nuvens de átomos e, em seguida, reuni-las novamente, o que permite medir com extrema precisão mudanças mínimas em seu movimento.
Essas experiências se baseiam na comparação do comportamento de duas nuvens de átomos localizadas em lugares distintos e iluminadas pelo mesmo laser. Qualquer diferença entre ambas poderia indicar sinais anteriormente ocultos, como, por exemplo, a presença de um campo de matéria escura.
No entanto, a técnica enfrenta um grande desafio. O laser utilizado para controlar o experimento produz um ruído de fase muito maior do que os sinais que os pesquisadores tentam medir. Se não for corrigido, esse ruído mascara completamente esses efeitos.
Para superar esse problema, os cientistas propuseram uma abordagem diferencial, comparando dois interferômetros de forma que o ruído comum seja cancelado. Esse método é fundamental para os planos dos detectores de próxima geração, mas até agora não havia sido demonstrado em condições reais.
Referindo-se à importância desse avanço, o Dr. Charles Baynham, codiretor do Laboratório de Estrôncio Ultrafrio do Imperial College de Londres, afirma: “Sabemos há muito tempo que os sensores quânticos podem nos ajudar a compreender o universo, mas só recentemente foi possível construí-los com a resolução necessária.
No novo estudo, os pesquisadores se propuseram a comprovar experimentalmente esse princípio. No Laboratório Imperial de Estrôncio Ultrafrio, eles construíram um protótipo de mesa com duas nuvens de estrôncio-87 ultrafrio separadas macroscopicamente, analisadas por meio de um único laser-relógio ultraestável.
O arranjo foi projetado para imitar as condições previstas em experimentos futuros muito maiores, nos quais controlar o ruído se torna cada vez mais difícil. Para levar o método ao limite, a equipe introduziu deliberadamente grandes quantidades de ruído de fase adicional no sistema, muito mais do que os lasers de relógio produzem naturalmente, a fim de simular as condições esperadas em detectores de linha de base longa.
Individualmente, cada interferômetro ficou inutilizável, pois seu sinal foi ofuscado pelo ruído. Os padrões de interferência que normalmente permitem realizar medições foram completamente apagados.
No entanto, ao comparar os dois interferômetros, foi possível recuperar um sinal claro. Embora cada medição individual parecesse aleatória, a correlação entre elas revelou o comportamento subjacente do sistema. A medição combinada opera no limite fundamental estabelecido pela física quântica, o que demonstra que a cancelamento de ruído do laser funciona conforme o previsto.
Os cientistas deram um passo adiante e introduziram um sinal oscilante adicional no sistema, semelhante ao que poderia ser produzido por uma onda gravitacional ou um campo de matéria escura. Esse sinal ainda podia ser detectado com clareza, mesmo em condições em que nenhum dos interferômetros, por si só, continha informações úteis.
Os resultados fornecem a primeira validação experimental de um princípio fundamental subjacente aos interferômetros atômicos de longa distância, o que ajuda a resolver um desafio central em seu projeto.
No âmbito do programa AION, os pesquisadores estão desenvolvendo as tecnologias necessárias para ampliar esses sistemas para experimentos capazes de explorar novas regiões do Universo.
O AION também faz parte de um programa internacional mais amplo que inclui colaborações estreitas com o projeto MAGIS no Fermilab e instituições americanas associadas, o que contribui para o avanço dos interferômetros atômicos em grande escala para a física fundamental.
Isso inclui propostas como o Experimento de Interferometria Atômica do CERN (AICE), que aplicaria técnicas semelhantes a distâncias muito maiores. Se concretizado, o AICE representaria uma nova direção para o CERN, aplicando a detecção quântica à física fundamental em grande escala. Essas instalações poderiam, além disso, figurar entre os maiores experimentos quânticos desse tipo.
O Dr. Richard Hobson, codiretor do Laboratório de Estrôncio Ultrafrio do Imperial College, destaca: “Pegamos alguns dos instrumentos mais precisos já construídos (relógios atômicos e interferômetros atômicos) e demonstramos que eles podem ser reutilizados para abrir janelas completamente novas para as partes invisíveis do nosso Universo.
Nosso experimento atual é apenas um protótipo, mas ampliá-lo para uma instalação em grande escala em laboratórios como o CERN ou o Fermilab nos permitirá abordar alguns dos mistérios mais profundos da física, incluindo a natureza da matéria escura.”
Pesquisadores do Imperial College estão desenvolvendo planos para esses sistemas como parte de um esforço internacional para construir uma nova geração de sensores quânticos. No futuro, esses detectores poderão explorar faixas de frequência de ondas gravitacionais até agora inacessíveis e buscar novas formas de matéria, abrindo uma janela inexplorada para o Universo.
O professor Oliver Buchmueller, pesquisador-chefe da colaboração AION no Imperial College, acrescenta: “Este trabalho representa um marco importante para o desenvolvimento de futuros sensores quânticos em grande escala para a física fundamental. Ele demonstra, em condições experimentais realistas, uma técnica fundamental para as instalações de interferometria atômica de próxima geração que estão sendo desenvolvidas atualmente em nível internacional, como o MAGIS no Fermilab e a proposta de instalação AICE no CERN”.
A colaboração AION é liderada pelo Imperial College de Londres e inclui pesquisadores das Universidades de Birmingham, Cambridge, Liverpool King’s College e Oxford, juntamente com o Laboratório Rutherford Appleton do STFC.
O programa contou com o apoio do programa Tecnologias Quânticas para a Física Fundamental (QTFP), uma iniciativa conjunta do STFC e do EPSRC.
Esta notícia foi traduzida por um tradutor automático