Direção quântica para medições mais precisas

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As correlações de Einstein-Podolski-Rosen podem ser usadas para medições de precisão. (Imagem: Jurik Peter, Shutterstock)

Abstrato:
Os sistemas quânticos compostos por várias partículas podem ser usados para medir campos magnéticos ou elétricos com mais precisão. Um jovem físico da Universidade de Basel agora propôs um novo esquema para essas medições que usa um tipo particular de correlação entre partículas quânticas.

Direção quântica para medições mais precisas

Basel, Suíça | Postado em 23 de abril de 2021

Na informação quântica, os agentes fictícios Alice e Bob são freqüentemente usados para ilustrar tarefas de comunicação complexas. Em um desses processos, Alice pode usar partículas quânticas emaranhadas, como fótons, para transmitir ou “teletransportar” um estado quântico - desconhecido até mesmo para ela - para Bob, algo que não é viável usando comunicações tradicionais.

No entanto, não está claro se a equipe Alice-Bob pode usar estados quânticos semelhantes para outras coisas além da comunicação. Um jovem físico da Universidade de Basel mostrou agora como determinados tipos de estados quânticos podem ser usados para realizar medições com maior precisão do que a física quântica normalmente permitiria. Os resultados foram publicados na revista científica Nature Communications.

Direção quântica à distância

Junto com pesquisadores da Grã-Bretanha e da França, o Dr. Matteo Fadel, que trabalha no Departamento de Física da Universidade de Basel, pensou em como tarefas de medição de alta precisão podem ser abordadas com a ajuda da chamada direção quântica.

A direção quântica descreve o fato de que em certos estados quânticos de sistemas que consistem em duas partículas, uma medição na primeira partícula permite fazer previsões mais precisas sobre os resultados de medição possíveis na segunda partícula do que a mecânica quântica permitiria se apenas a medição na segunda partícula tinha sido feita. É como se a medição da primeira partícula tivesse “guiado” o estado da segunda.

Este fenômeno também é conhecido como paradoxo EPR, em homenagem a Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, que o descreveram pela primeira vez em 1935. O que é notável sobre ele é que funciona mesmo se as partículas estão distantes porque são de mecânica quântica ? enredado? e podem sentir-se à distância. Isso também é o que permite que Alice transmita seu estado quântico para Bob no teletransporte quântico.

“Para a direção quântica, as partículas precisam estar emaranhadas umas com as outras de uma maneira muito particular”, explica Fadel. “Estávamos interessados em entender se isso poderia ser usado para fazer melhores medições.” O procedimento de medição que ele propõe consiste em Alice realizar uma medição em sua partícula e transmitir o resultado a Bob.

Graças à direção quântica, Bob pode então ajustar seu aparato de medição de forma que o erro de medição em sua partícula seja menor do que teria sido sem as informações de Alice. Desta forma, Bob pode medir, por exemplo, campos magnéticos ou elétricos atuando em suas partículas com alta precisão.

Estudo sistemático de medições aprimoradas de direção

O estudo de Fadel e seus colegas agora torna possível estudar sistematicamente e demonstrar a utilidade da direção quântica para aplicações metrológicas. “A ideia para isso surgiu de um experimento que já fizemos em 2018 no laboratório do professor Philipp Treutlein da Universidade de Basel”, diz Fadel.

“Nesse experimento, pudemos medir a direção quântica pela primeira vez entre duas nuvens contendo centenas de átomos frios cada. Depois disso, nos perguntamos se seria possível fazer algo útil com isso. ” Em seu trabalho, Fadel criou uma base matemática sólida para a realização de aplicações de medição da vida real que usam a direção quântica como recurso.

“Em alguns casos simples, já sabíamos que havia uma conexão entre o paradoxo EPR e as medições de precisão”, diz Treutlein. “Mas agora temos um quadro teórico geral, com base no qual também podemos desenvolver novas estratégias para a metrologia quântica.” Os pesquisadores já estão trabalhando para demonstrar as idéias de Fadel experimentalmente. No futuro, isso pode resultar em novos dispositivos de medição com aprimoramento quântico.

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