Cientistas “manipularam” a incerteza quântica em tempo real pela primeira vez.

A incerteza quântica, ou princípio da incerteza de Heisenberg, afirma que é impossível medir simultaneamente duas características inter-relacionadas de um objeto quântico com alta precisão. É por isso que um elétron não se move em uma órbita estritamente definida ao redor do núcleo de um átomo, mas existe como uma nuvem eletrônica difusa. No entanto, como os cientistas descobriram, essa incerteza pode ser controlada — e isso abre novas possibilidades para as tecnologias quânticas.

Fonte da imagem: Universidade do Arizona

Para entender o conceito, o princípio da incerteza pode ser imaginado como um balão inflado. Se você pressioná-lo, o balão se achatará em um ponto, mas se esticará em outro — o volume total permanece inalterado. O mesmo se aplica ao mundo quântico: ao refinar uma característica de uma partícula (por exemplo, sua fase ou amplitude), inevitavelmente perdemos precisão em outra. No entanto, o produto dessas incertezas permanece constante.

Ao mesmo tempo, o produto de características quânticas supostamente opostas permanece inalterado. A capacidade de manipular a incerteza quântica em tempo real — para ajustar a precisão da medição de um ou outro dos pares “contraditórios” — abre novas possibilidades no campo das medições quânticas e, em particular, da criptografia quântica.

A descoberta foi feita por cientistas da Universidade do Arizona. Eles se propuseram a aprender a alterar a precisão da medição da fase ou da amplitude (intensidade) dos fótons em tempo real. É impossível medir simultaneamente ambas as características dos fótons com alta precisão. Caso contrário, capturaríamos a luz no espaço e no tempo e seríamos capazes de calcular sua trajetória e prever seu movimento subsequente, o que priva um objeto quântico de sua essência — um conjunto de probabilidades.

Os cientistas conceituam o problema como a compressão da luz em forma de bala, onde a “bala” representa a gama de valores possíveis para a fase e a intensidade do fóton. Eles conseguiram controlar o processo usando a tecnologia de mistura de quatro ondas, na qual diferentes fontes de luz interagem e se combinam. Para isso, eles usaramFoi utilizado um laser com pulsos ultrarrápidos (femtossegundos). O pulso de laser foi dividido em três feixes idênticos de diferentes comprimentos de onda (três cores) e focado em vidro de quartzo. A mudança da orientação do quartzo em relação aos feixes alterou o sinal resultante, como se alguém estivesse sentado em um balão inflado: às vezes, ele se transformava em uma bala, às vezes, ficava mais redondo.

Esse controle permite maior precisão na medição da amplitude da luz e melhora a relação sinal-ruído. Também abre uma nova direção na criptografia quântica. Agora, um invasor que tenta interceptar uma chave quântica não precisará apenas detectar a transmissão de um fóton; ele também terá que levar em conta o nível de incerteza, que muda dinamicamente durante a transmissão. Isso torna a interceptação virtualmente impossível.

De acordo com os autores, essa tecnologia de “luz quântica ultrarrápida” pode encontrar aplicação não apenas em comunicações seguras, mas também no desenvolvimento de sensores altamente sensíveis, química quântica e biomedicina. No futuro, esses sistemas poderão ajudar a criar ferramentas de diagnóstico mais precisas, novos métodos de descoberta de medicamentos e sensores para monitoramento ambiental.