Os rela³gios ata´micos são os cronometristas mais precisos do mundo. Esses instrumentos requintados usam lasers para medir as vibrações dos a¡tomos, que oscilam em uma frequência constante, como muitos paªndulos microsca³picos balana§ando em sincronia. Os melhores rela³gios ata´micos do mundo marcam o tempo com tal precisão que, se estivessem funcionando desde o ini­cio do universo, estariam perdidos por apenas meio segundo hoje.

Ainda assim, eles poderiam ser ainda mais precisos. Se os rela³gios ata´micos pudessem medir com mais precisão as vibrações atômicas, eles seriam sensa­veis o suficiente para detectar fena´menos como matéria escura e ondas gravitacionais. Com rela³gios ata´micos melhores, os cientistas também poderiam comea§ar a responder a algumas perguntas alucinantes, como que efeito a gravidade pode ter na passagem do tempo e se o pra³prio tempo muda com o envelhecimento do universo.

Agora, um novo tipo de rela³gio ata´mico projetado por fa­sicos do MIT pode permitir que os cientistas explorem essas questões e, possivelmente, revelem uma nova física.

Os pesquisadores relatam hoje na revista Nature que construa­ram um rela³gio ata´mico que mede não uma nuvem de a¡tomos oscilantes aleatoriamente, como os designs de última geração medem agora, mas sim a¡tomos que foram quanticamente emaranhados. Os a¡tomos estãocorrelacionados de uma forma que éimpossí­vel de acordo com as leis da física cla¡ssica, e que permite aos cientistas medir as vibrações dos a¡tomos com mais precisão.

A nova configuração pode atingir a mesma precisão quatro vezes mais rápido do que rela³gios sem emaranhamento.

“Os rela³gios ata´micos a³pticos aprimorados por emaranhamento tera£o o potencial de atingir uma precisão melhor em um segundo do que os rela³gios a³pticos de última geração”, diz o autor principal Edwin Pedrozo-Pea±afiel, pa³s-doutorado no Laborata³rio de Pesquisa de Eletra´nica do MIT.

Se rela³gios ata´micos de última geração fossem adaptados para medir a¡tomos emaranhados da mesma forma que a configuração da equipe do MIT, seu tempo melhoraria de tal forma que, durante toda a idade do universo, os rela³gios estariam a menos de 100 milissegundos de atraso.

Os outros coautores do artigo do MIT são Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao e Vladan Vuletic, o professor de física Lester Wolfe.

Desde que os humanos começam a monitorar a passagem do tempo, eles o fizeram usando fena´menos peria³dicos, como o movimento do sol no canãu. Hoje, as vibrações nos a¡tomos são os eventos peria³dicos mais esta¡veis ​​que os cientistas podem observar. Além disso, um a¡tomo de canãsio oscilara¡ exatamente na mesma frequência que outro a¡tomo de canãsio.

Para manter a hora perfeita, os rela³gios idealmente rastreariam as oscilações de um aºnico a¡tomo. Mas nessa escala, um a¡tomo étão pequeno que se comporta de acordo com as regras misteriosas da meca¢nica qua¢ntica: quando medido, ele se comporta como uma moeda lana§ada que, apenas quando calculada a média de muitos lana§amentos, fornece as probabilidades corretas. Essa limitação éo que os fa­sicos chamam de Limite Qua¢ntico Padra£o.

“Quando vocêaumenta o número de a¡tomos, a média dada por todos esses a¡tomos vai em direção a algo que da¡ o valor correto”, diz Colombo.

a‰ por isso que os rela³gios ata´micos de hoje são projetados para medir um gás composto por milhares do mesmo tipo de a¡tomo, a fim de obter uma estimativa de suas oscilações médias. Um rela³gio ata´mico ta­pico faz isso usando primeiro um sistema de lasers para encurralar um gás de a¡tomos ultracoolados em uma armadilha formada por um laser. Um segundo laser, muito esta¡vel, com uma frequência próxima a  das vibrações dos a¡tomos, éenviado para sondar a oscilação atômica e, assim, controlar o tempo.

E, no entanto, o limite qua¢ntico padrãoainda estãoem funcionamento, o que significa que ainda hálguma incerteza, mesmo entre milhares de a¡tomos, a respeito de suas frequências individuais exatas. a‰ aqui que Vuletic e seu grupo mostraram que o emaranhamento qua¢ntico pode ajudar. Em geral, o emaranhamento qua¢ntico descreve um estado fa­sico não cla¡ssico, no qual os a¡tomos de um grupo mostram resultados de medição correlacionados, embora cada a¡tomo individual se comporte como o lana§amento aleata³rio de uma moeda.

A equipe concluiu que, se os a¡tomos estivessem emaranhados, suas oscilações individuais se estreitariam em torno de uma frequência comum, com menos desvio do que se não estivessem emaranhados. As oscilações médias que um rela³gio ata´mico mediria, portanto, teriam uma precisão além do Limite Qua¢ntico Padra£o.

Em seu novo rela³gio ata´mico, Vuletic e seus colegas emaranham cerca de 350 a¡tomos de itanãrbio, que oscila na mesma frequência muito alta que a luz visível, o que significa que qualquer a¡tomo vibra 100.000 vezes mais frequentemente em um segundo do que o canãsio. Se as oscilações do itanãrbio podem ser rastreadas com precisão, os cientistas podem usar os a¡tomos para distinguir intervalos de tempo cada vez menores.

O grupo usou técnicas padrãopara resfriar os a¡tomos e prendaª-los em uma cavidade a³ptica formada por dois espelhos. Eles então enviaram um laser atravanãs da cavidade a³ptica, onde ele pingou-pongue entre os espelhos, interagindo com os a¡tomos milhares de vezes.

“a‰ como se a luz servisse como um elo de comunicação entre os a¡tomos”, explica Shu. “O primeiro a¡tomo que vaª esta luz ira¡ modificar ligeiramente a luz, e essa luz também modifica o segundo a¡tomo, e o terceiro a¡tomo, e atravanãs de muitos ciclos, os a¡tomos se conhecem coletivamente e comea§am a se comportar de forma semelhante.”

Dessa forma, os pesquisadores emaranham os a¡tomos de forma qua¢ntica e, em seguida, usam outro laser, semelhante aos rela³gios ata´micos existentes, para medir sua frequência média. Quando a equipe fez um experimento semelhante sem a¡tomos emaranhados, eles descobriram que o rela³gio ata´mico com a¡tomos emaranhados atingiu a precisão desejada quatro vezes mais rápido.  

“Vocaª sempre pode tornar o rela³gio mais preciso medindo mais”, diz Vuletic. “A questãoanã, quanto tempo vocêprecisa para alcana§ar uma certa precisão. Muitos fena´menos precisam ser medidos em escalas de tempo rápidas. ”

Ele diz que se os rela³gios ata´micos de hoje podem ser adaptados para medir a¡tomos qua¢nticos emaranhados, eles não apenas manteriam um tempo melhor, mas poderiam ajudar a decifrar sinais no universo, como matéria escura e ondas gravitacionais, e comea§ar a responda a algumas perguntas antigas.

“Amedida que o universo envelhece, a velocidade da luz muda? A carga do elanãtron muda? ” Vuletic diz. “Isso éo que vocêpode testar com rela³gios ata´micos mais precisos.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela DARPA, a National Science Foundation e o Office of Naval Research.