Os cientistas descobriram que uma propriedade física chamada 'negatividade qua¢ntica' pode ser usada para fazer medições mais precisas de tudo, de distâncias moleculares a ondas gravitacionais.

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, Harvard e MIT, mostraram que aspartículas qua¢nticas podem transportar uma quantidade ilimitada de informações sobre as coisas com as quais interagiram. Os resultados, publicados na revista Nature Communications , podem permitir medições muito mais precisas e alimentar novas tecnologias, como microsca³pios superprecisos e computadores qua¢nticos.

Metrologia éa ciência das estimativas e medições. Se vocêse pesou esta manha£, fez metrologia. Do mesmo modo que se espera que a computação qua¢ntica revolucione a maneira como são feitos ca¡lculos complicados, a metrologia qua¢ntica, usando o estranho comportamento daspartículas subatômicas, pode revolucionar a maneira como medimos as coisas.

Estamos acostumados a lidar com probabilidades que variam de 0% (nunca acontece) a 100% (sempre acontece). Para explicar os resultados do mundo qua¢ntico, no entanto, o conceito de probabilidade precisa ser expandido para incluir uma chamada quase-probabilidade, que pode ser negativa. Essa quase probabilidade permite que conceitos qua¢nticos como a "ação assustadora a  distância" de Einstein e a dualidade departículas de onda sejam explicados em uma linguagem matemática intuitiva. Por exemplo, a probabilidade de um a¡tomo estar em uma determinada posição e viajar com uma velocidade especa­fica pode ser um número negativo, como -5%.

Diz-se que um experimento cuja explicação requer probabilidades negativas possui 'negatividade qua¢ntica'. Os cientistas mostraram agora que essa negatividade qua¢ntica pode ajudar a tomar medidas mais precisas.

Toda metrologia precisa de sondas, que podem ser simples escalas ou terma´metros. Na metrologia de ponta, no entanto, as sondas sãopartículas qua¢nticas, que podem ser controladas nonívelsubata´mico. Essaspartículas qua¢nticas são feitas para interagir com a coisa que estãosendo medida. Em seguida, aspartículas são analisadas por um dispositivo de detecção.

Em teoria, quanto maior o número departículas sondas, mais informações estara£o disponí­veis para o dispositivo de detecção. Mas, na prática , existe um limite para a taxa na qual os dispositivos de detecção podem analisar partículas O mesmo acontece na vida cotidiana: colocar a³culos de sol pode filtrar o excesso de luz e melhorar a visão. Mas háum limite para o quanto a filtragem pode melhorar nossa visão - ter a³culos escuros demais éprejudicial.

"Na³s adaptamos ferramentas da teoria da informação padrãopara quase-probabilidades e mostramos que a filtragem departículas qua¢nticas pode condensar as informações de um milha£o departículas em uma", disse o principal autor Dr. David Arvidsson-Shukur do Cavendish Laboratory de Cambridge e Sarah Woodhead Fellow na Faculdade de Girton. "Isso significa que os dispositivos de detecção podem operar em sua taxa de influxo ideal enquanto recebem informações correspondentes a taxas muito mais altas. Isso éproibido de acordo com a teoria normal das probabilidades, mas a negatividade qua¢ntica torna isso possí­vel".

Um grupo experimental da Universidade de Toronto já começou a construir tecnologia para usar esses novos resultados teóricos. Seu objetivo écriar um dispositivo qua¢ntico que use luz de laser de fa³ton aºnico para fornecer medições incrivelmente precisas de componentes a³pticos. Tais medidas são cruciais para a criação de novas tecnologias avana§adas, como computadores qua¢nticos fota´nicos.

"Nossa descoberta abre novas e empolgantes maneiras de usar fena´menos qua¢nticos fundamentais em aplicações do mundo real", disse Arvidsson-Shukur.

A metrologia qua¢ntica pode melhorar as medições de coisas, incluindo distâncias, a¢ngulos, temperaturas e campos magnanãticos. Essas medições mais precisas podem levar a tecnologias melhores e mais rápidas, mas também a melhores recursos para sondar a física fundamental e melhorar nossa compreensão do universo. Por exemplo, muitas tecnologias dependem do alinhamento preciso dos componentes ou da capacidade de detectar pequenas alterações nos campos elanãtrico ou magnanãtico. Maior precisão no alinhamento de espelhos pode permitir microsca³pios ou telesca³pios mais precisos, e melhores maneiras de medir o campo magnético da Terra podem levar a melhores ferramentas de navegação.

Atualmente, a metrologia qua¢ntica éusada para aprimorar a precisão da detecção de ondas gravitacionais no Observatório LIGO Hanford, vencedor do Praªmio Nobel. Mas para a maioria das aplicações, a metrologia qua¢ntica tem sido muito cara e inatinga­vel com a tecnologia atual. Os resultados recanãm-publicados oferecem uma maneira mais barata de fazer metrologia qua¢ntica.

"Os cientistas costumam dizer que 'não existe almoa§o gra¡tis', o que significa que vocênão pode ganhar nada se não estiver disposto a pagar o prea§o computacional", disse o co-autor Aleksander Lasek, Ph.D. candidato no Laborata³rio Cavendish. "No entanto, na metrologia qua¢ntica, esse prea§o pode ser arbitrariamente baixo. Isso éaltamente contra-intuitivo e realmente surpreendente!"

A Dra. Nicole Yunger Halpern, co-autora e bolsista de pa³s-doutorado do ITAMP na Universidade de Harvard, disse: "A multiplicação dia¡ria comuta: seis vezes sete éigual a sete vezes seis. A teoria qua¢ntica envolve multiplicação que não écomutada. A falta de comutação nos permite melhorar a metrologia usando física qua¢ntica.

"A física qua¢ntica aprimora a metrologia , computação, criptografia e muito mais; mas provar rigorosamente que isso édifa­cil. Mostramos que a física qua¢ntica nos permite extrair mais informações de experimentos do que podera­amos apenas com a física cla¡ssica. A chave para a prova éuma versão qua¢ntica de probabilidades - objetos matema¡ticos que se assemelham a probabilidades, mas podem assumir valores negativos e não reais ".