As oscilações quânticas dos átomos contêm um certo conjunto de informações. E se os cientistas pudessem fazer medições precisas dessas oscilações e traçar suas mudanças ao longo do tempo, eles poderiam melhorar a precisão do relógio atômico em pelo menos 15 vezes, bem como melhorar a precisão dos sensores quânticos de sistemas de átomos cujas oscilações podem indicar a presença de matéria escura, onda gravitacional, ou mesmo fenômenos novos e inesperados, sobre os quais ainda nada sabemos.
O principal obstáculo na medição das vibrações mais sutis, que atrapalha os cientistas, é o "ruído" do nosso mundo, que obstrui essas vibrações atômicas. E assim os cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts conseguiram amplificar significativamente as mudanças quânticas nas vibrações atômicas, enviando partículas através de dois processos principais: emaranhamento quântico e reversão do tempo.
Os físicos do MIT manipularam átomos emaranhados quânticos de tal maneira que as partículas se comportaram como se estivessem se movendo para trás no tempo. À medida que os pesquisadores efetivamente rebobinavam a fita das vibrações atômicas, quaisquer mudanças nessas vibrações eram amplificadas de tal forma que podiam ser facilmente medidas. O método foi nomeado SATIN.
Para o novo estudo, a equipe estudou 400 átomos ultrafrios de itérbio, um dos dois tipos de átomos usados nos relógios atômicos modernos. Eles resfriaram os átomos um pouco acima do zero absoluto, temperaturas nas quais a maioria dos efeitos clássicos, como o calor, desaparece e o comportamento dos átomos é determinado apenas por efeitos quânticos.
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A equipe usou um sistema de lasers para prender os átomos e, em seguida, enviou luz com um "emaranhado" tingido de azul que fez com que os átomos oscilassem em um estado correlacionado. Eles permitiram que os átomos emaranhados evoluíssem no tempo e depois os expuseram a um pequeno campo magnético, que fez uma pequena mudança quântica, mudando ligeiramente as vibrações coletivas dos átomos.
Tal mudança seria impossível de detectar com as ferramentas de medição existentes. Em vez disso, a equipe aplicou a reversão do tempo para amplificar esse sinal quântico. Para isso, usaram outro laser de tonalidade vermelha, que estimulava o desfiar dos átomos, como se estivessem evoluindo no sentido inverso do tempo. Eles então mediram as oscilações das partículas conforme elas retornavam ao seu estado emaranhado e descobriram que sua fase final era marcadamente diferente de sua fase inicial – evidência clara de que uma mudança quântica havia ocorrido em algum ponto de sua evolução.
A equipe repetiu esse experimento milhares de vezes com nuvens de 50 a 400 átomos, observando a cada vez a amplificação esperada do sinal quântico. Isso confirmou os resultados dos primeiros experimentos. Esse método tornaria o relógio atômico tão preciso que, ao longo da vida do universo, estaria menos de 20 milissegundos atrasado em relação ao tempo atual do universo.
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