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O experimento foi retratado desenhando um esquema interferométrico de fibra Sagnac dentro de uma inserção de ampliação a partir de uma posição local (Viena, Áustria) da Terra em rotação. Dois fótons indistinguíveis incidem em um cubo divisor de feixe, um emaranhamento entre eles é criado e então são acoplados no interferômetro de fibra. Crédito: Marco Di Vita
Um experimento de física quântica na Universidade de Viena alcançou uma precisão inovadora na medição da rotação da Terra usando fótons emaranhados.
O estudo utiliza um interferômetro óptico Sagnac aprimorado que aproveita o emaranhado quântico para detectar efeitos rotacionais com precisão sem precedentes, oferecendo avanços potenciais tanto na mecânica quântica quanto na relatividade geral.
Experiência quântica pioneira
Uma equipe de pesquisadores realizou um experimento pioneiro onde mediu o efeito da rotação da Terra em fótons quânticos emaranhados. O trabalho, liderado por Philip Walther da Universidade de Viena, foi publicado no dia 14 de junho na revista Avanços da Ciência. Representa uma conquista significativa que ultrapassa os limites da sensibilidade de rotação em sensores baseados em emaranhamento, potencialmente preparando o terreno para uma exploração mais aprofundada na intersecção entre a mecânica quântica e a relatividade geral.
Avanços nos Interferômetros Sagnac
Os interferômetros ópticos Sagnac são os dispositivos mais sensíveis às rotações. Eles têm sido fundamentais na nossa compreensão da física fundamental desde os primeiros anos do século passado, contribuindo para estabelecer a teoria da relatividade especial de Einstein. Hoje, a sua precisão incomparável faz deles a ferramenta definitiva para medir velocidades de rotação, limitada apenas pelos limites da física clássica.
Interferômetro Sagnac construído com 2 quilômetros de fibras ópticas enroladas em uma moldura quadrada de alumínio de 1,4 metros de lado. Crédito: Raffaele Silvestri
O emaranhamento quântico aumenta a sensibilidade
Os interferômetros que empregam emaranhamento quântico têm o potencial de quebrar esses limites. Se duas ou mais partículas estiverem emaranhadas, apenas o estado geral é conhecido, enquanto o estado da partícula individual permanece indeterminado até a medição. Isso pode ser usado para obter mais informações por medição do que seria possível sem ela. No entanto, o prometido salto quântico na sensibilidade foi dificultado pela natureza extremamente delicada do emaranhamento.
Foi aqui que a experiência de Viena fez a diferença. Eles construíram um interferômetro Sagnac gigante de fibra óptica e mantiveram o ruído baixo e estável por várias horas. Isso permitiu a detecção de emaranhados de alta qualidade suficientes fóton pares tais para superar a precisão de rotação dos interferômetros ópticos quânticos Sagnac anteriores em mil vezes.
Técnicas Inovadoras em Medição Quântica
Em um interferômetro Sagnac, duas partículas viajando em direções opostas de um caminho giratório fechado alcançam o ponto inicial em momentos diferentes. Com duas partículas emaranhadas, torna-se assustador: elas se comportam como uma única partícula testando ambas as direções simultaneamente, enquanto acumulam o dobro do atraso de tempo em comparação com o cenário onde não há emaranhamento. Esta propriedade única é conhecida como super-resolução. No experimento real, dois fótons emaranhados se propagavam dentro de uma fibra óptica de 2 quilômetros de comprimento enrolada em uma enorme bobina, formando um interferômetro com área efetiva de mais de 700 metros quadrados.
Superando Desafios em Experimentos Quânticos
Um obstáculo significativo que os pesquisadores enfrentaram foi isolar e extrair o sinal de rotação constante da Terra. “O cerne da questão”, explica o autor principal Raffaele Silvestri, “está em estabelecer um ponto de referência para a nossa medição, onde a luz permanece não afetada pelo efeito rotacional da Terra. Dada a nossa incapacidade de parar a rotação da Terra, concebemos uma solução alternativa: dividir a fibra óptica em duas bobinas de comprimento igual e conectá-las através de um interruptor óptico.”
Ao ligar e desligar o interruptor, os pesquisadores puderam cancelar efetivamente o sinal de rotação à vontade, o que também lhes permitiu estender a estabilidade de seu grande aparelho. “Basicamente enganamos a luz fazendo-a pensar que está num universo não rotativo”, diz Silvestri.
Confirmando a Mecânica Quântica e as Interações da Relatividade
A experiência, que foi conduzida como parte da rede de investigação TURIS, organizada pela Universidade de Viena e pela Academia Austríaca de Ciências, observou com sucesso o efeito da rotação da Terra num estado de dois fotões emaranhados ao máximo. Isto confirma a interação entre sistemas de referência rotativos e emaranhamento quântico, conforme descrito na teoria da relatividade especial e na mecânica quântica de Einstein, com uma melhoria de precisão mil vezes maior em comparação com experimentos anteriores.
“Isso representa um marco significativo, uma vez que, um século após a primeira observação da rotação da Terra com a luz, o emaranhado de quanta individuais de luz entrou finalmente nos mesmos regimes de sensibilidade”, diz Haocun Yu, que trabalhou nesta experiência como Marie-Curie. Bolsista de pós-doutorado.
“Acredito que nosso resultado e metodologia estabelecerão as bases para melhorias adicionais na sensibilidade de rotação de sensores baseados em emaranhamento. Isto poderia abrir caminho para futuras experiências que testem o comportamento do emaranhamento quântico através das curvas do espaço-tempo”, acrescenta Philip Walther.
Referência: “Observação experimental da rotação da Terra com emaranhamento quântico” por Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Strömberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson e Philip Walther, 14 de junho de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.ado0215