Uma equipe de pesquisadores liderada por Philip Walther, da Universidade de Viena, conduziu um experimento único que mediu o efeito da rotação da Terra nos fótons emaranhados quânticos. A clássica ferramenta de comprovação da validade da relatividade geral foi utilizada pela primeira vez para avaliar o fenômeno da mecânica quântica, abrindo caminho para a busca de conexões entre os mundos material e quântico.
Fonte da imagem: Universidade de Viena
O trabalho de pesquisa foi publicado na revista Science Advances. Os cientistas criaram o maior interferômetro Sagnac do mundo, conhecido há cerca de cem anos. Este dispositivo ou sensor permite encontrar evidências de uma série de disposições da teoria geral da relatividade, em particular, sendo o detector de rotação mais sensível, por exemplo, do nosso planeta. Pesquisadores de Viena montaram sua versão do dispositivo em uma estrutura (carretel) de alumínio de 1,4 m, enrolando nela dois enrolamentos de cabo óptico, cada um com 2 km de comprimento.
O isolamento do enrolamento foi forte o suficiente para reduzir o nível de ruído quântico abaixo do limite de sensibilidade especificado durante várias horas. Isso tornou possível detectar com segurança um número suficiente de fótons emaranhados para que pudessem ser usados posteriormente em experimentos.
Um enrolamento, explicaram os cientistas, não permitiu estabelecer um ponto de referência para medições – extrair um sinal sobre a rotação constante da Terra a partir dos dados de medição. Era necessário “enganar a luz, fazendo-a pensar que o universo está imóvel”. Este efeito foi alcançado alternando entre enrolamentos.
«O cerne da questão, explica o autor principal Raffaele Silvestri, era estabelecer um ponto de referência para as nossas medições onde a luz permanecesse inalterada pelos efeitos da rotação da Terra. Dada a nossa incapacidade de parar a rotação da Terra, arranjámos uma solução alternativa: dividimos a fibra óptica em duas bobinas de igual comprimento e ligamo-las usando um interruptor óptico.” Ao usar um interruptor, os pesquisadores conseguiram suprimir efetivamente o sinal de rotação à vontade, o que também lhes permitiu melhorar a estabilidade do dispositivo. “Basicamente enganamos a luz fazendo-a pensar que ela está em um universo não giratório”, disse Silvestri.
A ideia do experimento é que os fótons emaranhados, quando medidos, forneçam mais informações do que os comuns. Isso poderia ajudar a ampliar os limites da sensibilidade do dispositivo além da física clássica e entrar no reino da mecânica quântica.
Configuração experimental
Num interferômetro Sagnac convencional, dois fótons se moveriam um em direção ao outro e retornariam ao ponto inicial com alguma diferença de tempo, dependendo da velocidade de rotação do sistema. No caso de fótons emaranhados sendo lançados ao longo de uma rota, a situação é mais complicada – ambos os fótons se movem simultaneamente um em direção ao outro como uma partícula. Ao mesmo tempo, o atraso de tempo dobra, explicam os cientistas, e isso duplica a resolução do sensor – a chamada super-resolução é alcançada.
Isso confirmou a interação entre referenciais rotativos e emaranhamento quântico, cuja descrição teórica pode ser encontrada tanto na teoria da relatividade especial de Einstein quanto na mecânica quântica. Isso foi feito com um aumento de mil vezes na precisão em comparação com experimentos anteriores.
«Este é um marco importante porque um século depois de a rotação da Terra ter sido observada pela primeira vez usando luz, o emaranhado de quanta de luz individual finalmente entrou nos mesmos modos de sensibilidade, explicou Haocun Yu, que trabalhou neste experimento como pós-doutorado no Instituto Maria Curie. . “Acredito que nossos resultados e metodologia estabelecerão as bases para melhorias adicionais na sensibilidade dos sensores com base na estimativa de spin baseada em emaranhamento.” Isto poderia abrir caminho para futuras experiências para testar o comportamento do emaranhamento quântico, tendo em conta a curvatura do espaço-tempo.”