Crédito: CC0 Dominio Público

O universo, como é visto pelas lentes da mecânica quântica, é um espaço barulhento e crepitante, onde partículas piscam constantemente dentro e fora da existência, criando um fundo de ruído quântico cujos efeitos são normalmente sutis demais para serem detectados em objetos do cotidiano.

Agora, pela primeira vez, uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório MIT LIGO mediu os efeitos das flutuações quânticas nos objetos em escala humana. Em um artigo publicado na Nature, os pesquisadores relatam observar que flutuações quânticas, por menores que sejam, podem “chutar” um objeto tão grande quanto os espelhos de 40 kg do Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferômetro a Laser da National Science Foundation (LIGO) , fazendo com que eles se movessem um pouco, o que a equipe foi capaz de medir.

Acontece que o ruído quântico nos detectores do LIGO é suficiente para mover os grandes espelhos de 10 a 20 metros – um deslocamento que foi previsto pela mecânica quântica para um objeto desse tamanho, mas que nunca havia sido medido antes.

“Esse deslocamento dos espelhos é para um átomo de hidrogênio o que é um átomo de hidrogênio para nós – e medimos isso”, diz Lee McCuller, cientista do Instituto Kavli de Astrofísica e Espaço do MIT.

Os pesquisadores usaram um instrumento especial que eles projetaram, chamado espremedor quântico, para “manipular o ruído quântico do detector e reduzir seus chutes aos espelhos, de uma maneira que poderia melhorar a sensibilidade do LIGO na detecção de ondas gravitacionais”, explica Haocun Yu, estudante de física do MIT.

“O que há de especial nesse experimento é que vimos efeitos quânticos em algo tão grande quanto um ser humano”, diz Nergis Mavalvala, professor de mármore e chefe associado do departamento de física do MIT. “Nós também, todos os nanossegundos de nossa existência, estamos sendo atacados, afetados por essas flutuações quânticas. É apenas que o tremor de nossa existência, nossa energia térmica, é muito grande para que essas flutuações quânticas de vácuo afetem nosso movimento de maneira mensurável. Com o LIGO espelhos, fizemos todo esse trabalho para isolá-los do movimento acionado termicamente e de outras forças, para que agora ainda sejam suficientes para serem chutados por flutuações quânticas e por essa pipoca assustadora do universo”.

Yu, Mavalvala e McCuller são coautores do novo artigo, juntamente com a estudante Maggie Tse e a principal cientista Lisa Barsotti no MIT, juntamente com outros membros da LIGO Scientific Collaboration.

Um chute quântico

O LIGO foi projetado para detectar ondas gravitacionais que chegam à Terra de fontes cataclísmicas, a milhões de bilhões de anos-luz de distância. Compreende dois detectores duplos, um em Hanford, Washington, e o outro em Livingston, Louisiana. Cada detector é um interferômetro em forma de L, composto por dois túneis de 4 quilômetros de comprimento, no final dos quais pendura um espelho de 40 quilogramas.

Para detectar uma onda gravitacional, um laser localizado na entrada do interferômetro LIGO envia um feixe de luz em cada túnel do detector, onde reflete no espelho na extremidade oposta, para retornar ao seu ponto de partida. Na ausência de uma onda gravitacional, os lasers devem retornar no mesmo tempo exato. Se uma onda gravitacional passar, ela poderá perturbar brevemente a posição dos espelhos e, portanto, os tempos de chegada dos lasers.

Muito foi feito para proteger os interferômetros contra ruídos externos, para que os detectores tenham uma melhor chance de detectar os distúrbios extremamente sutis criados por uma onda gravitacional de entrada.

Mavalvala e seus colegas se perguntaram se o LIGO também seria sensível o suficiente para que o instrumento pudesse sentir efeitos mais sutis, como flutuações quânticas no próprio interferômetro e, especificamente, ruído quântico gerado entre os fótons no laser do LIGO.

“Essa flutuação quântica na luz do laser pode causar uma pressão de radiação que pode realmente chutar um objeto”, acrescenta McCuller. “O objeto no nosso caso é um espelho de 40 kg, que é um bilhão de vezes mais pesado que os objetos em nanoescala nos quais outros grupos mediram esse efeito quântico”.

Squeezer de ruído

Para ver se eles podiam medir o movimento dos espelhos maciços do LIGO em resposta a pequenas flutuações quânticas, a equipe usou um instrumento que eles construíram recentemente como um complemento para os interferômetros, que eles chamam de espremedor quântico. Com o espremedor, os cientistas podem ajustar as propriedades do ruído quântico no interferômetro do LIGO.

A equipe mediu primeiro o ruído total nos interferômetros do LIGO, incluindo o ruído quântico de fundo, bem como o ruído “clássico” ou distúrbios gerados a partir de vibrações normais do dia a dia. Eles então ligaram o espremedor e ajustaram-no para um estado específico que alterava especificamente as propriedades do ruído quântico. Eles foram capazes de subtrair o ruído clássico durante a análise dos dados, para isolar o ruído puramente quântico no interferômetro. Como o detector monitora constantemente o deslocamento dos espelhos para qualquer ruído recebido, os pesquisadores foram capazes de observar que apenas o ruído quântico era suficiente para deslocar os espelhos em 10 a 20 metros.

Mavalvala observa que a medição está alinhada exatamente com o que a mecânica quântica prevê. “Mas ainda assim é notável ver isso confirmado em algo tão grande”, diz ela.

Indo um passo adiante, a equipe se perguntou se eles poderiam manipular o espremedor quântico para reduzir o ruído quântico dentro do interferômetro. O espremedor é projetado de tal forma que, quando definido para um estado específico, “espreme” certas propriedades do ruído quântico, neste caso, fase e amplitude. As flutuações de fase podem ser pensadas como decorrentes da incerteza quântica no tempo de viagem da luz, enquanto as flutuações de amplitude proporcionam chutes quânticos na superfície do espelho.

“Pensamos no ruído quântico como distribuído por diferentes eixos e tentamos reduzir o ruído em algum aspecto específico”, diz Yu.

Quando o espremedor está definido para um determinado estado, ele pode, por exemplo, espremer ou reduzir a incerteza na fase, enquanto distende simultaneamente ou aumenta a incerteza na amplitude. A compressão do ruído quântico em diferentes ângulos produziria diferentes proporções de ruído de fase e amplitude nos detectores do LIGO.

O grupo se perguntou se a mudança do ângulo dessa compressão criaria correlações quânticas entre os lasers do LIGO e seus espelhos, de uma maneira que eles também pudessem medir. Testando sua idéia, a equipe ajustou o espremedor para 12 ângulos diferentes e descobriu que, de fato, eles podiam medir correlações entre as várias distribuições de ruído quântico no laser e o movimento dos espelhos.

Por meio dessas correlações quânticas, a equipe conseguiu reduzir o ruído quântico e o deslocamento espelhado resultante, até 70% do seu nível normal. Essa medida, aliás, está abaixo do que é chamado limite quântico padrão, que, na mecânica quântica, afirma que um determinado número de fótons, ou, no caso do LIGO, um certo nível de potência do laser, deve gerar um certo mínimo de quantum flutuações que gerariam um “chute” específico para qualquer objeto em seu caminho.

Usando luz compactada para reduzir o ruído quântico na medição LIGO, a equipe fez uma medição mais precisa do que o limite quântico padrão, reduzindo esse ruído de uma maneira que acabará por ajudar o LIGO a detectar fontes mais fracas e distantes de ondas gravitacionais.

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