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Uma técnica da mais nova geração de sensores quânticos está ajudando os cientistas a usar as limitações do princípio da incerteza de Heisenberg a seu favor.
Na década de 1960, pesquisadores do laboratório de ciências da Ford Motor Company desenvolveram o dispositivo supercondutor de interferência quântica, também conhecido como “SQUID”. Foi o primeiro sensor utilizável a tirar proveito de uma propriedade da mecânica quântica – neste caso, a supercondutividade.
Isso fez do SQUID um da primeira geração de sensores quânticos: dispositivos que usam um sistema quântico, propriedades quânticas ou fenômenos quânticos para fazer uma medição física. Os físicos pegaram a ideia e correram com ela, criando novos tipos de sensores que continuam a usar e melhorar hoje.
Os SQUIDs desempenharam um papel fundamental no desenvolvimento de sistemas de medição elétrica e magnética ultrassensíveis e ainda estão em uso. Por exemplo, eles amplificam os sinais do detector para a Pesquisa Super Criogênica de Matéria Escura. “Como físicos de partículas, usamos técnicas de detecção quântica há décadas”, diz a física do SuperCDMS Lauren Hsu, do Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA.
Mas os SQUIDs não são mais os únicos sensores quânticos disponíveis. Um importante desenvolvimento recente no sensoriamento quântico é conhecido como compressão quântica – uma maneira de contornar as limitações quânticas que até os sensores quânticos enfrentaram no passado.
“A única maneira de fazer melhor é começar a vencer a mecânica quântica.”
Os primeiros sensores quânticos
Sensoriamento quântico para ondas gravitacionais
Sensor quântico para detecção de matéria escura
Os SQUIDs da Ford, que precisavam ser resfriados a alguns graus acima do zero absoluto, usavam laços supercondutores para medir campos magnéticos minúsculos.
SQUIDs não se mostraram muito úteis em um automóvel. Mas nem todos os pesquisadores da Ford estavam comprometidos com as expectativas de que suas criações acabariam em um carro. “Isso mostra como o mundo era diferente na década de 1960”, diz Kent Irwin, físico da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory. “Hoje em dia, a Ford não está fazendo física básica”.
Algumas décadas depois, enquanto estava na pós-graduação, Irwin desenvolveu a ideia do SQUID da Ford Company para desenvolver um novo sensor quântico: o primeiro sensor supercondutor prático de borda de transição.
Irwin aproveitou o fato de que o material supercondutor perde sua supercondutividade quando aquece, recuperando sua resistência a uma temperatura precisa. Ao manter um material supercondutor o mais próximo possível desse limite de temperatura, ele poderia criar um sensor que sofreria uma mudança significativa na introdução de uma pequena quantidade de energia. Apenas um único fóton atingindo um dos sensores de transição de Irwin faria com que ele mudasse para um estado diferente.
O sensor de borda de transição é bem conhecido e tem sido amplamente adotado em astronomia de raios X, detecção de matéria escura e medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. “É um quantum muito antigo 1.0”, diz Irwin.
Uma nova geração de sensores quânticos vai além do quantum 1.0. Alguns dos sensores atuais fazem uso de mais do que apenas supercondutividade: eles conseguiram usar o princípio da incerteza de Heisenberg – geralmente considerado uma limitação de quão bem os físicos podem fazer medições – a seu favor.
O princípio da incerteza de Heisenberg limita a precisão com que você pode medir um par de propriedades relacionadas. Por exemplo, quanto mais você sabe sobre a posição de uma partícula, menos você pode saber sobre seu momento.
A compressão quântica tira proveito dessas relações propositalmente inclinando a balança: movendo toda a incerteza de uma medição para um lado ou outro.
Detectores de ondas gravitacionais, como LIGO nos EUA, Virgo e GEO na Europa, usaram compressão quântica com grande efeito. Em 2015, o LIGO – o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser – detectou as primeiras ondas gravitacionais, ondulações do espaço-tempo previstas pela primeira vez por Albert Einstein. Uma vez que começou, estava captando novos sinais de eventos de ondas gravitacionais todos os meses.
O LIGO detecta ondas gravitacionais usando um interferômetro, um dispositivo em forma de L no qual dois feixes de luz são configurados para refletir em espelhos idênticos e retornar. Em condições normais, os feixes chegarão ao mesmo tempo e cancelarão um ao outro. Nenhum sinal atingirá o detector.
Mas se uma força externa sutil os deixar fora de sincronia, eles não se cancelarão e os fótons atingirão o detector. Se uma onda gravitacional passar pelos dois feixes, atingirá um e depois o outro, interrompendo seu padrão.
As medições do LIGO são limitadas pelas propriedades quânticas dos fótons que compõem seus feixes de luz. No nível quântico, os fótons são afetados por flutuações, partículas virtuais surgindo e desaparecendo no vácuo. Essas flutuações podem causar um sinal falso no detector. Como os pesquisadores do LIGO poderiam dizer a diferença?
“O LIGO está usando os lasers mais poderosos que podem construir e os melhores espelhos que podem construir, e suas costas estão contra a parede”, diz Irwin. “A única maneira de fazer melhor é começar a vencer a mecânica quântica”.
Cientistas do LIGO e outros detectores de ondas gravitacionais procuraram a compressão quântica para ajudá-los com seu problema de fótons virtuais.
Para gerar luz espremida, os pesquisadores usaram uma tecnologia chamada oscilador paramétrico óptico, dentro do qual uma onda de entrada de luz laser é convertida em duas ondas de saída com frequências menores. Esse processo envolve pares de fótons, e as correlações resultantes de suas propriedades servem para reduzir a incerteza em um aspecto dos fótons que chegam, permitindo que os cientistas do LIGO meçam melhor outro aspecto, ajudando-os a separar o sinal do ruído.
Desde abril de 2019, quando o LIGO começou a funcionar com os espremedores quânticos, o observatório conseguiu detectar novos sinais de ondas gravitacionais – sinais de colisões entre objetos massivos, como buracos negros e estrelas de nêutrons – com mais frequência, passando de cerca de uma detecção por mês a cerca de um por semana.
A compressão quântica também encontrou recentemente uma aplicação na busca de matéria escura.
A matéria escura nunca foi observada diretamente, mas pistas na cosmologia apontam para ela compondo aproximadamente 85% da matéria no universo. Existem várias teorias diferentes que descrevem o que uma partícula de matéria escura poderia ser.
“A massa pode ser de um bilionésimo do tamanho de um elétron até um buraco negro supermassivo”, diz Hsu. “Existem mais de 100 ordens de magnitude que ele pode abranger.”
Os candidatos à pequena matéria escura mais promissores são os áxions. Na presença de um forte campo magnético, os áxions ocasionalmente se convertem em fótons, que podem ser detectados pelos sensores de um experimento.
Como alguém tentando encontrar uma estação de rádio em uma viagem no meio do nada, eles vasculham por um tempo em uma frequência, para ver se detectam um sinal. Caso contrário, eles giram o mostrador um pouco e tentam o próximo tamanho.
Leva tempo para ouvir cada “estação” uma vez que o detector está sintonizado em um possível sinal de axion em particular; quanto mais ruído houver, mais tempo levará para determinar se pode haver algum sinal.
O experimento HAYSTAC - para Haloscope em Yale Sensível a Axion Cold Dark Matter - procura por axions medindo dois componentes diferentes de oscilações do campo eletromagnético. Assim como o LIGO, é limitado pelo princípio da incerteza; Os pesquisadores da HAYSTAC são incapazes de medir com precisão ambas as oscilações ao mesmo tempo.
Mas eles não precisavam. Como os cientistas do LIGO, os cientistas da HAYSTAC perceberam que, se pudessem espremer toda a precisão em apenas um lado da equação, isso melhoraria a velocidade de sua busca. No início de 2021, os pesquisadores anunciaram que, na HAYSTAC, eles também conseguiram usar a compressão quântica para reduzir os níveis de ruído em seu experimento.
Vários grupos demonstraram novas aplicações promissoras da tecnologia de circuitos supercondutores para detecção de áxions.
O "conversor ascendente quântico de RF" usa dispositivos semelhantes aos SQUIDs da Ford para evitar o princípio da incerteza de Heisenberg em pesquisas de matéria escura em frequências abaixo das pesquisas da HAYSTAC. Outro usa uma tecnologia emprestada da computação quântica – qubits – como um sensor para contornar os limites de Heisenberg em frequências superiores a HAYSTAC. Embora nenhuma tecnologia tenha sido usada em pesquisas de matéria escura ainda, os cientistas acreditam que poderiam acelerar as pesquisas em várias ordens de magnitude.
No ritmo atual, ainda levará milhares de anos de experimentos de axion para escanear todas as possíveis “estações” de axion. Eles podem ter sorte e encontrar o que estão procurando no início da pesquisa, mas é mais provável que ainda precisem encontrar outras maneiras de acelerar seu progresso, talvez com avanços no sensoriamento quântico, diz Daniel Bowring, pesquisador do Fermilab. físico que está envolvido em outra busca axion, o Axion Dark Matter Experiment.
Fonte: Fermilab / 25-01-2022
https://www.symmetrymagazine.org/article/the-quantum-squeeze
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Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso (EAD) de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Acompanha e divulga os
conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and Space Administration),
ESA (European Space Agency) e outras organizações científicas e tecnológicas.
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A
partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB),
como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
Page: http://pesqciencias.blogspot.com.br
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