Quando dois buracos negros espiralam para dentro e colidem, eles agitam 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 estas chamadas ondas gravitacionais para os ajudar a estudar questões fundamentais sobre o cosmos, incluindo a origem de elementos pesados como o ouro e a taxa de expansão do universo.
Mas detetar ondas gravitacionais não é fácil. Quando estas alcançam a Terra e os detetores gémeos do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro a Laser (LIGO), na Louisiana e no estado de Washington, as ondulações dissipam-se quase completamente. Os detetores do LIGO devem detetar movimentos na escala de uma parte em dez mil da largura de um protão para terem uma chance.
Até agora, o LIGO confirmou 90 deteções de ondas gravitacionais, mas os físicos querem detetar mais, o que exigirá tornar o experimento ainda mais sensível. E isso é um desafio.
“A luta destes detetores é que sempre que você tenta melhorá-los, na verdade, pode piorar as coisas, porque eles são tão sensíveis,” diz Lisa Barsotti, uma física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.
No entanto, Barsotti e seus colegas recentemente ultrapassaram este desafio, criando um dispositivo que permitirá aos detetores do LIGO detetar muito mais fusões de buracos negros e colisões de estrelas de neutrões. O dispositivo pertence a uma classe crescente de instrumentos que utilizam compressão quântica — uma forma prática para os investigadores lidarem com sistemas que operam pelas regras difusas da mecânica quântica e manipularem esses fenómenos a seu favor.
Os físicos descrevem objetos no reino quântico em termos de probabilidades — por exemplo, um eletrão não está localizado aqui ou ali, mas tem alguma probabilidade de estar em cada lugar, fixando-se em apenas um quando as suas propriedades são medidas. A compressão quântica pode manipular as probabilidades, e os investigadores estão cada vez mais a usá-la para exercer mais controlo sobre o ato de medição, melhorando drasticamente a precisão de sensores quânticos como o experimento LIGO.
“Nas aplicações de deteção de precisão onde se quer detetar sinais super pequenos, a compressão quântica pode ser uma grande vitória,” diz Mark Kasevich, um físico da Universidade de Stanford que aplica compressão quântica para fazer magnetómetros, giroscópios e relógios mais precisos com potenciais aplicações para navegação. Os criadores de tecnologia comercial e militar começaram também a experimentar esta técnica: a startup canadiana Xanadu usa-a nos seus computadores quânticos, e no outono passado, a DARPA anunciou o programa Inspired, para desenvolver tecnologia de compressão quântica num chip. Vamos dar uma olhada em duas aplicações onde a compressão quântica já está a ser utilizada para ultrapassar os limites dos sistemas quânticos.
Assumindo o controle da incerteza
O conceito-chave por trás da compressão quântica é o fenómeno conhecido como o princípio da incerteza de Heisenberg. Num sistema quântico-mecânico, este princípio coloca um limite fundamental sobre a precisão com que se podem medir as propriedades de um objeto. Não importa quão boas sejam os seus dispositivos de medição, eles sofrerão um nível fundamental de imprecisão que faz parte da própria natureza. Na prática, isso significa que há um compromisso. Se quiser rastrear precisamente a velocidade de uma partícula, por exemplo, então deve sacrificar a precisão em saber a sua localização, e vice-versa. “A física impõe limites aos experimentos, e especialmente à medição de precisão,” diz John Robinson, um físico da startup de computação quântica QuEra.
Ao “comprimir” a incerteza nas propriedades que não estão a medir, no entanto, os físicos podem ganhar precisão na propriedade que desejam medir. Teoricamente, propôs-se o uso de compressão na medição já na década de 1980. Desde então, os físicos experimentais têm desenvolvido as ideias; ao longo da última década e meia, os resultados amadureceram de protótipos complexos em mesas de trabalho para dispositivos práticos. Agora, a grande questão é quais serão as aplicações que vão beneficiar. “Estamos apenas a entender o que a tecnologia pode ser,” diz Kasevich. “Então, esperançosamente, a nossa imaginação crescerá para nos ajudar a descobrir para o que é que ela realmente vai ser boa.”
O LIGO está a abrir caminho para responder a essa questão, ao aumentar a capacidade dos detetores de medir distâncias extremamente pequenas. O observatório regista ondas gravitacionais com máquinas em forma de L capazes de detetar movimentos minúsculos ao longo dos seus braços de quatro quilómetros de comprimento. Em cada máquina, os investigadores dividem um feixe de laser em dois, enviando um feixe por cada braço para refletir num conjunto de espelhos. Na ausência de uma onda gravitacional, os picos e vales das ondas luminosas constituintes devem anular-se completamente quando os feixes são recombinados. Mas quando uma onda gravitacional passa, ela esticará e comprimirá alternadamente os braços de forma a que as ondas luminosas divididas estejam ligeiramente fora de fase.
Os sinais resultantes são subtis, no entanto — tão subtis que correm o risco de serem abafados pelo vácuo quântico, o ruído de fundo inevitável do universo, causado por partículas que surgem e desaparecem. O vácuo quântico introduz um lampejo de luz de fundo que entra nos braços do LIGO, e esta luz empurra os espelhos, deslocando-os na mesma escala das ondas gravitacionais que o LIGO pretende detetar.
A equipa de Barsotti não consegue eliminar este lampejo de fundo, mas a compressão quântica permite-lhes exercer um controlo limitado sobre ele. Para o fazer, a equipa instalou uma cavidade com 300 metros de comprimento em cada um dos dois detetores em forma de L do LIGO. Usando lasers, podem criar um vácuo quântico artificial, no qual podem manipular as condições para aumentar o seu nível de controlo sobre a luminosidade do lampejo ou sobre a sua aleatoriedade temporal. A deteção de ondas gravitacionais de frequência mais alta é mais difícil quando o ritmo do lampejo é mais aleatório, enquanto as ondas gravitacionais de frequência mais baixa são abafadas quando a luz de fundo é mais brilhante. No seu vácuo artificial, as partículas ruidosas ainda aparecem nas suas medições, mas de formas que não perturbam tanto a deteção de ondas gravitacionais. “É possível modificar o vácuo manipulando-o de forma que seja útil para si”, explica ela.
A inovação levou décadas a desenvolver: ao longo da década de 2010, o LIGO incorporou formas incrementalmente mais sofisticadas de compressão quântica baseadas em ideias teóricas desenvolvidas na década de 1980. Com estas últimas inovações em compressão, instaladas no ano passado, a colaboração espera detetar ondas gravitacionais até 65% mais frequentemente do que antes.
A compressão quântica também melhorou a precisão na medição do tempo. Trabalhando na Universidade do Colorado Boulder com o físico Jun Ye, pioneiro na tecnologia de relógios atómicos, Robinson e sua equipa criaram um relógio que perderá ou ganhará no máximo um segundo em 14 bilhões de anos. Estes relógios super-precisos tiquetam ligeiramente de forma diferente em diferentes campos gravitacionais, o que poderia torná-los úteis para detetar como a massa da Terra se redistribui como resultado de atividade sísmica ou vulcânica. Eles também poderiam potencialmente ser usados para detetar certas formas propostas de matéria escura, a substância hipotetizada que os físicos pensam permear o universo, atraindo objetos com sua gravidade.
O relógio desenvolvido pela equipa de Robinson, um tipo chamado de relógio atómico ótico, utiliza 10.000 átomos de estrôncio. Como todos os átomos, o estrôncio emite luz em frequências de assinatura específicas quando os eletrões ao redor do núcleo do átomo saltam entre diferentes níveis de energia. Um número fixo de picos e vales numa dessas ondas luminosas corresponde a um segundo no seu relógio. “Está a dizer que o átomo é perfeito”, diz Robinson. “O átomo é a minha referência.” O “tic-tac” desta luz é muito mais constante do que o cristal de quartzo vibrante num relógio de pulso, por exemplo, que se expande e contrai a diferentes temperaturas para ticar a diferentes velocidades.
Na prática, o tic-tac no relógio da equipa de Robinson não vem da luz que os eletrões emitem, mas sim de como todo o sistema evolui ao longo do tempo. Os investigadores primeiro colocam cada átomo de estrôncio numa “superposição” de dois estados: um em que os eletrões do átomo estão todos nos seus níveis de energia mais baixos e outro em que um dos eletrões está num 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 à forma como uma moeda a girar no ar tem alguma probabilidade de sair cara ou coroa, mas não é nem uma nem outra.
Depois medem quantos átomos estão em cada estado. O ato de medição coloca os átomos definitivamente num estado ou noutro, equivalente a deixar a moeda que está a girar aterrar numa superfície. Antes de medirem os átomos, mesmo que pretendam obter uma mistura de 50-50, não podem ditar precisamente quantos átomos acabarão em cada estado. Isso acontece porque, para além da mudança do sistema ao longo do tempo, há também uma incerteza inerente no estado dos átomos individuais. A equipa de Robinson utiliza a compressão quântica para determinar de forma mais fiável os seus estados finais, reduzindo estas flutuações intrínsecas. Especificamente, manipulam as incertezas na direção do spin de cada átomo, uma propriedade de muitas partículas quânticas que não tem um equivalente clássico. A compressão melhorou a precisão do relógio em 1,5 vezes.
É verdade que as ondas gravitacionais e os relógios ultra-precisos são aplicações académicas de nicho. Mas há interesse em adaptar a abordagem a outras aplicações potencialmente mais mainstream, incluindo computadores quânticos, navegação e microscopia.
O aumento da utilização da compressão quântica faz parte de uma tendência tecnológica mais ampla em direção à maior precisão — uma que engloba a colocação de mais transístores em chips, o estudo das partículas mais elusivas do universo e a medição do tempo fugaz que um eletrão demora a sair de uma molécula. A compressão beneficia apenas medições tão subtis que a aleatoriedade da mecânica quântica contribui com ruído significativo. Mas acontece que os físicos têm mais controlo do que pensam. Podem não conseguir eliminar a aleatoriedade, mas podem engenhá-la onde ela aparece.
Sophia Chen