Toda vez que você verifica as horas no seu telefone, faz uma transação on-line ou usa um aplicativo de navegação, você está dependendo da precisão dos relógios atômicos.

Um relógio atômico marca o tempo contando com os "tiques" dos átomos, que oscilam naturalmente em frequências constantes. Os relógios atômicos atuais operam rastreando átomos de césio, que tiquetam mais de 10 bilhões de vezes por segundo. Cada um desses tiques é rastreado com precisão por lasers que oscilam em sincronia, em frequências de micro-ondas.

Cientistas estão desenvolvendo relógios atômicos de última geração que dependem de átomos ainda mais rápidos, como o itérbio, que podem ser rastreados com lasers em frequências ópticas mais altas. Se puderem ser mantidos estáveis, os relógios atômicos ópticos poderão rastrear intervalos de tempo ainda mais precisos, até 100 trilhões de vezes por segundo.

Agora, físicos do MIT encontraram uma maneira de melhorar a estabilidade de relógios atômicos ópticos, reduzindo o "ruído quântico" — uma limitação fundamental da medição devido aos efeitos da mecânica quântica, que obscurece as oscilações puras dos átomos. Além disso, a equipe descobriu que o efeito do laser de um relógio sobre os átomos, anteriormente considerado irrelevante, pode ser usado para estabilizar ainda mais o laser.

Os pesquisadores desenvolveram um método para aproveitar uma "fase global" induzida por laser em átomos de itérbio e potencializaram esse efeito com uma técnica de amplificação quântica. A nova abordagem dobra a precisão de um relógio atômico óptico, permitindo que ele discerna o dobro de tiques por segundo em comparação com a mesma configuração sem o novo método. Além disso, eles preveem que a precisão do método deverá aumentar de forma constante com o número de átomos em um relógio atômico.

Os pesquisadores detalham o método, que chamam de espectroscopia de fase global, em um estudo publicado hoje na revista Nature . Eles preveem que a técnica de estabilização do relógio poderá um dia permitir a criação de relógios atômicos ópticos portáteis, que podem ser transportados para vários locais, para medir todos os tipos de fenômenos.

“Com esses relógios, as pessoas estão tentando detectar matéria escura e energia escura, testar se realmente existem apenas  quatro forças fundamentais e até mesmo verificar se esses relógios podem prever terremotos”, diz o autor do estudo, Vladan Vuletic, Professor Lester Wolfe de Física no MIT. “Acreditamos que nosso método pode ajudar a tornar esses relógios transportáveis e posicionáveis onde forem necessários.”

Os coautores do artigo são Leon Zaporski, Qi Liu, Gustavo Velez, Matthew Radzihovsky, Zeyang Li, Simone Colombo e Edwin Pedrozo-Peñafiel, que são membros do Centro de Átomos Ultrafrios do MIT-Harvard e do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT.

Em 2020, Vuletic e seus colegas demonstraram que um relógio atômico poderia ser mais preciso por meio do emaranhamento quântico dos átomos do relógio. O emaranhamento quântico é um fenômeno pelo qual partículas podem se comportar de maneira coletiva e altamente correlacionada. Quando os átomos são emaranhados quânticos, eles redistribuem qualquer ruído, ou incerteza na medição de suas oscilações, de forma a revelar um "tique-taque" mais claro e mensurável.

Em seu trabalho anterior, a equipe induziu o emaranhamento quântico entre centenas de átomos de itérbio, que primeiro resfriaram e aprisionaram em uma cavidade formada por dois espelhos curvos. Eles enviaram um laser para dentro da cavidade, que ricocheteou milhares de vezes entre os espelhos, interagindo com os átomos e causando o emaranhamento do conjunto. Eles conseguiram demonstrar que o emaranhamento quântico poderia melhorar a precisão dos relógios atômicos existentes, reduzindo essencialmente o ruído, ou a incerteza entre as taxas de tique-taque do laser e dos átomos.

Na época, porém, eles estavam limitados pela instabilidade do tique-taque do laser do relógio. Em 2022, a mesma equipe desenvolveu uma maneira de amplificar ainda mais a diferença entre as taxas de tique-taque do laser e do átomo com a "reversão do tempo" — um truque que se baseia em entrelaçar e desemaranhar os átomos para amplificar o sinal adquirido entre eles.

No entanto, nesse trabalho, a equipe ainda utilizava micro-ondas tradicionais, que oscilam em frequências muito mais baixas do que os padrões de frequência óptica fornecidos pelos átomos de itérbio. Era como se tivessem cuidadosamente retirado uma película de poeira de uma pintura para depois fotografá-la com uma câmera de baixa resolução.

Em seu novo estudo, a equipe encontrou uma maneira de aplicar sua abordagem de reversão do tempo, desenvolvida anteriormente, a relógios atômicos ópticos. Eles então enviaram um laser que oscila próximo à frequência óptica dos átomos entrelaçados.

“O laser, em última análise, herda o tique-taque dos átomos”, diz o primeiro autor, Zaporski. “Mas, para que essa herança se mantenha por muito tempo, o laser precisa ser bastante estável.”

Os pesquisadores descobriram que eram capazes de melhorar a estabilidade de um relógio atômico óptico aproveitando um fenômeno que os cientistas presumiam ser irrelevante para a operação. Eles perceberam que, quando a luz é enviada através de átomos emaranhados, a interação pode fazer com que os átomos aumentem de energia e, em seguida, retornem ao seu estado energético original, mantendo a memória da viagem de ida e volta.

"Pode-se pensar que não fizemos nada", diz Vuletic. "Obtemos essa fase global dos átomos, que geralmente é considerada irrelevante. Mas essa fase global contém informações sobre a frequência do laser."

Em outras palavras, eles perceberam que o laser estava induzindo uma mudança mensurável nos átomos, apesar de trazê-los de volta ao estado de energia original, e que a magnitude dessa mudança depende da frequência do laser.

“Em última análise, buscamos a diferença entre a frequência do laser e a frequência de transição atômica”, explica o coautor Liu. “Quando essa diferença é pequena, ela é abafada pelo ruído quântico. Nosso método amplifica essa diferença acima desse ruído quântico.”

Em seus experimentos, a equipe aplicou essa nova abordagem e descobriu que, por meio do emaranhamento, eles conseguiram dobrar a precisão de seu relógio atômico óptico.

“Vimos que agora podemos resolver uma diferença quase duas vezes menor na frequência óptica, ou na frequência de tique-taque do relógio, sem atingir o limite de ruído quântico”, diz Zaporski. “Embora operar relógios atômicos seja um problema complexo em geral, os benefícios técnicos do nosso método tornarão a tarefa mais fácil, e acreditamos que isso pode permitir relógios atômicos estáveis e transportáveis.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA, pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Ciência dos EUA, pelos Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica e pelo Acelerador de Sistemas Quânticos.