Quando dois buracos negros entram em uma espiral e colidem, eles abalam a própria estrutura do espaço, produzindo ondulações no espaço-tempo que podem viajar por centenas de milhões de anos-luz. Desde 2015, os cientistas têm observado essas chamadas ondas gravitacionais para ajudá-los a estudar questões fundamentais sobre o cosmos, incluindo a origem de elementos pesados como o ouro e a taxa de expansão do universo.
Mas detectar ondas gravitacionais não é fácil. Quando chegam à Terra e aos detectores gêmeos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser (LIGO), nos estados de Louisiana e Washington, as ondulações já se dissiparam e se tornaram quase silenciosas. Os detectores do LIGO precisam detectar movimentos na escala de um décimo de milésimo da largura de um próton para ter alguma chance.
O LIGO confirmou 90 detecções de ondas gravitacionais até o momento, mas os físicos querem detectar mais, o que exigirá tornar o experimento ainda mais sensível. E isso é um desafio.
“A dificuldade desses detectores é que toda vez que você tenta melhorá-los, na verdade pode piorar as coisas, porque eles são muito sensíveis”, diz Lisa Barsotti, física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.
No entanto, Barsotti e seus colegas recentemente superaram esse desafio, criando um dispositivo que permitirá que o LIGO detecte muito mais fusões de buracos negros e colisões de estrelas de nêutrons. O dispositivo pertence a uma classe cada vez maior de instrumentos que utilizam a compressão quântica — uma maneira prática de os pesquisadores que lidam com sistemas que operam conforme as regras difusas da mecânica quântica manipularem esses fenômenos a seu favor.
Os físicos descrevem os objetos no domínio quântico em termos de probabilidades — por exemplo, um elétron não está localizado aqui ou ali, mas tem alguma probabilidade de estar em cada lugar, fixando-se em um deles somente quando suas propriedades são medidas. A compressão quântica pode manipular as probabilidades e os pesquisadores estão usando-a cada vez mais para exercer maior controle sobre o ato da medição, melhorando drasticamente a precisão dos sensores quânticos, como o experimento LIGO.
“Em aplicações de sensoriamento de precisão em que se deseja detectar sinais superpequenos, a compressão quântica pode ser uma grande vitória”, diz Mark Kasevich, físico da Universidade de Stanford, que aplica a compressão quântica para fabricar magnetômetros, giroscópios e relógios mais precisos com possíveis aplicações para navegação. Os criadores de tecnologia comercial e militar também começaram a se envolver com a técnica: a startup canadense Xanadu a utiliza em seus computadores quânticos e, no último outono, a DARPA anunciou o Inspired, um programa para desenvolver a tecnologia de compressão quântica em um chip. Vamos dar uma olhada em duas aplicações em que a compressão quântica já está sendo usada para ampliar os limites dos sistemas quânticos.
Assumindo o controle da incerteza
O principal conceito por trás da compressão quântica é o fenômeno conhecido como princípio da incerteza de Heisenberg. Em um sistema quântico-mecânico, esse princípio impõe um limite fundamental à precisão com que é possível medir as propriedades de um objeto. Não importa quão bons sejam seus dispositivos de medição, eles sofrerão um nível fundamental de imprecisão que faz parte da própria natureza. Na prática, isso significa que há uma compensação. Se você quiser rastrear com precisão a velocidade de uma partícula, por exemplo, terá que sacrificar a precisão no conhecimento de sua localização e vice-versa. “A física impõe limites aos experimentos e, principalmente, à medição de precisão”, diz John Robinson, físico da QuEra, uma startup de computação quântica.
No entanto, ao “espremer” a incerteza nas propriedades que não estão sendo medidas, os físicos podem obter precisão na propriedade que desejam medir. Os teóricos propuseram o uso da compressão na medição já na década de 1980. Desde então, os físicos experimentais vêm desenvolvendo as ideias; na última década e meia, os resultados amadureceram, passando de protótipos de mesa a dispositivos práticos. Agora, a grande questão é: quais aplicações serão beneficiadas. “Estamos apenas entendendo o que a tecnologia pode ser”, diz Kasevich. “Então, esperamos que nossa imaginação cresça para nos ajudar a descobrir para que ela realmente será boa.”
O LIGO está abrindo caminho para responder a essa pergunta, aprimorando a capacidade dos detectores de medir distâncias extremamente pequenas. O observatório registra ondas gravitacionais com máquinas em forma de L capazes de detectar movimentos minúsculos ao longo de seus braços de quatro quilômetros de comprimento. Em cada máquina, os pesquisadores dividem um feixe de laser em dois, enviando um feixe por cada braço para refletir em um conjunto de espelhos. Na ausência de uma onda gravitacional, as cristas e depressões das ondas de luz constituintes devem se cancelar completamente quando os feixes são recombinados. Mas quando uma onda gravitacional passa, ela estica e comprime os braços alternadamente, de modo que as ondas de luz divididas ficam ligeiramente fora de fase.
Os sinais resultantes são sutis, porém — tão sutis que correm o risco de serem abafados pelo vácuo quântico, o ruído de fundo irremovível do universo, causado por partículas que entram e saem da existência. O vácuo quântico introduz uma cintilação de fundo de luz que entra nos braços do LIGO e essa luz empurra os espelhos, deslocando-os na mesma escala que as ondas gravitacionais que o LIGO pretende detectar.
A equipe de Barsotti não consegue se livrar dessa cintilação de fundo, mas a compressão quântica permite que eles exerçam um controle limitado sobre ela. Para isso, a equipe instalou uma cavidade de 300 metros de comprimento em cada um dos dois detectores em forma de L do LIGO. Usando lasers, eles podem criar um vácuo quântico projetado, no qual podem manipular as condições para aumentar o nível de controle sobre o brilho da cintilação ou sobre a aleatoriedade com que ela ocorre no tempo. A detecção de ondas gravitacionais de frequência mais alta é mais difícil quando o ritmo da cintilação é mais aleatório, enquanto as ondas gravitacionais de frequência mais baixa são abafadas quando a luz de fundo é mais brilhante. Em seu vácuo projetado, as partículas ruidosas ainda aparecem em suas medições, mas de uma forma que não atrapalha tanto a detecção de ondas gravitacionais. “Você pode [modificar] o vácuo manipulando-o de uma forma que lhe seja útil”, explica ela.
A inovação estava sendo preparada há décadas: durante a década de 2010, o LIGO incorporou formas cada vez mais sofisticadas de compressão quântica com base em ideias teóricas desenvolvidas na década de 1980. Com essas últimas inovações de compressão, instaladas no ano passado, a colaboração espera detectar ondas gravitacionais com até 65% mais frequência do que antes.
A compressão quântica também melhorou a precisão da contagem do tempo. Trabalhando na Universidade do Colorado em Boulder com o físico Jun Ye, pioneiro na tecnologia de relógios atômicos, Robinson e sua equipe criaram um relógio que perderá ou ganhará, no máximo, um segundo em 14 bilhões de anos. Esses relógios superprecisos funcionam de forma ligeiramente diferente em diferentes campos gravitacionais, o que poderia torná-los úteis para detectar como a massa da Terra se redistribui como resultado de atividade sísmica ou vulcânica. Eles também poderiam ser usados para detectar certas formas propostas de matéria escura, a substância hipotética que os físicos acreditam que permeia o universo, puxando os objetos com sua gravidade.
O relógio desenvolvido pela equipe de Robinson, um tipo chamado de relógio atômico óptico, usa 10 mil átomos de estrôncio. Como todos os átomos, o estrôncio emite luz em frequências de assinatura específicas à medida que os elétrons ao redor do núcleo do átomo saltam entre diferentes níveis de energia. Um número fixo de altos e baixos em uma dessas ondas de luz corresponde a um segundo em seu relógio. “Você está dizendo que o átomo é perfeito”, diz Robinson. “O átomo é a minha referência.” O “tique-taque” dessa luz é muito mais estável do que a vibração do cristal de quartzo em um relógio de pulso, por exemplo, que se expande e se contrai em diferentes temperaturas para marcar ritmos diferentes.
Na prática, o tique-taque do relógio da equipe de Robinson não vem da luz que os elétrons emitem, mas de como todo o sistema evolui com o tempo. Os pesquisadores primeiro colocaram cada átomo de estrôncio em uma “superposição” de dois estados: um em que os elétrons do átomo estão todos em seus níveis de energia mais baixos e outro em que um dos elétrons está em um estado excitado. Isso significa que cada átomo tem alguma probabilidade de estar em qualquer um dos estados, mas não está definitivamente em nenhum deles — semelhante a como uma moeda jogada no ar tem alguma probabilidade de ser cara ou coroa, mas não é nenhuma.
Em seguida, eles medem quantos átomos estão em cada estado. O ato da medição coloca os átomos definitivamente em um estado ou no outro, equivalente a deixar a moeda cair em uma superfície. Antes de medir os átomos, mesmo que a intenção seja obter uma mistura 50-50, não é possível determinar com precisão quantos átomos ficarão em cada estado. Isso porque, além da mudança do sistema ao longo do tempo, há uma incerteza inerente no estado dos átomos individuais. A equipe de Robinson usa a compressão quântica para determinar de forma mais confiável seus estados finais, reduzindo essas flutuações intrínsecas. Especificamente, eles manipulam as incertezas na direção do spin de cada átomo, uma propriedade de muitas partículas quânticas que não tem contrapartida clássica. A compressão melhorou a precisão do relógio em um fator de 1,5.
Sem dúvida, as ondas gravitacionais e os relógios ultraprecisos são aplicações acadêmicas de nicho. Mas há interesse em adaptar a abordagem a outros usos potencialmente mais comuns, incluindo computadores quânticos, navegação e microscopia.
O uso cada vez maior da compressão quântica faz parte de uma tendência tecnológica mais ampla em direção à maior precisão — uma tendência que engloba o empilhamento de mais transistores em chips, o estudo das partículas mais elusivas do universo e o registro do tempo fugaz que um elétron leva para deixar uma molécula. A compressão beneficia apenas as medições tão sutis que a aleatoriedade da mecânica quântica contribui com um ruído significativo. Mas acontece que os físicos têm mais controle do que imaginam. Talvez eles não consigam remover a aleatoriedade, mas podem projetar onde ela aparece.
Sophia Chen
