Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

No mundo da física, existe uma divisão fundamental entre as regras que governam o muito pequeno e as regras que governam o mundo cotidiano. Na escala dos átomos e partículas subatômicas, os objetos se comportam de maneiras estranhas: eles podem existir em múltiplos estados ao mesmo tempo, e suas propriedades são nebulosas, definidas por probabilidades em vez de valores fixos. Este é o reino da mecânica quântica. Em contraste, os objetos que vemos e tocamos — cadeiras, carros e pessoas — seguem as leis previsíveis da física clássica. Por mais de um século, os cientistas têm se perguntado onde a linha é traçada entre esses dois mundos. Por que objetos grandes não se comportam como partículas quânticas? Para responder a isso, pesquisadores estão tentando empurrar objetos cada vez maiores para o reino quântico, forçando-os a obedecer às estranhas regras do muito pequeno. Uma parte fundamental desse esforço envolve o "espremer" (squeezing), uma técnica que reduz a nebulosidade natural do movimento de um objeto em uma direção enquanto permite que ela aumente em outra. Se os cientistas conseguirem espremer o movimento de um objeto grande o suficiente, poderão prepará-lo em um estado quântico especial, oferecendo uma nova maneira de testar como a gravidade e a mecânica quântica podem interagir.

Uma equipe de pesquisadores deu agora um passo significativo em direção a esse objetivo ao conseguir espremer o movimento de um objeto mecânico minúsculo, porém macroscópico. O objeto em questão é um cantilever, uma prancha de mergulho microscópica feita de arsenieto de gálio, pesando apenas 50 nanogramas. Embora essa massa seja incrivelmente leve para os sentidos humanos, é massiva comparada aos átomos geralmente estudados em experimentos quânticos. A equipe conseguiu preparar este cantilever em um estado "classicamente espremido", uma condição onde a incerteza de sua posição é reduzida a um nível apenas ligeiramente acima do mínimo absoluto permitido pela física quântica, conhecido como flutuação do ponto zero. Eles alcançaram uma incerteza mínima de 1,07 vezes esse limite fundamental. Este resultado é três ordens de magnitude melhor do que tentativas anteriores usando métodos semelhantes, representando um salto massivo de precisão.

O experimento baseou-se em uma interação inteligente entre luz e movimento. Os pesquisadores colocaram o minúsculo cantilever dentro de uma câmara de vácuo e incidiram um laser sobre ele. À medida que a luz ricocheteava no cantilever, ela carregava consigo informações sobre a posição do objeto. Ao medir essa luz de forma muito precisa, a equipe conseguiu rastrear o movimento do cantilever em tempo real. No entanto, simplesmente observar o objeto não é suficiente para espremê-lo; o ato de medir também exerce pressão sobre o objeto, adicionando um solavanco de ruído conhecido como "back-action" (ação de retorno). Para superar isso, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada preparação de estado condicional. Eles alimentaram os dados da medição em um filtro de computador que previa a posição do cantilever com base em seu comportamento passado. Ao usar essa previsão para compreender o estado do objeto de forma mais clara do que a medição bruta permitiria, eles puderam efetivamente "espremer" o ruído de um aspecto do seu movimento.

Uma parte crítica do sucesso deles foi a velocidade de suas medições em relação à velocidade da vibração do cantilever. Para que o espremer funcionasse, a taxa na qual eles coletavam informações tinha que ser rápida o suficiente para acompanhar as oscilações naturais do objeto. Neste experimento, a taxa de medição era de cerca de 54% da frequência de ressonância do cantilever, uma condição que permitiu quebrar o equilíbrio usual onde a energia é compartilhada igualmente entre posição e momento. Em vez disso, eles conseguiram suprimir significativamente a incerteza na medição da posição, enquanto a incerteza na medição do momento aumentou, uma troca que é uma marca registrada dos estados espremidos. O resultado final mostrou que a incerteza da posição foi reduzida para apenas 1,07 vezes o nível do ponto zero, enquanto a incerteza do momento subiu para quase oito vezes esse nível, demonstrando claramente que a energia não era mais compartilhada igualmente.

Apesar desta conquista impressionante, os pesquisadores fazem questão de notar que ainda não alcançaram totalmente o regime "quântico espremido". Seu estado é descrito como "classicamente espremido" porque, embora viole a regra clássica de distribuição de energia igual, ainda não mergulhou abaixo do piso de ruído quântico fundamental de uma forma que confirmaria um estado puramente mecânico quântico. O experimento foi limitado por várias fontes de ruído, incluindo interferência eletrônica e a dificuldade de manter o laser perfeitamente estável. A equipe identificou que o ruído não estacionário, que muda imprevisivelmente ao longo do tempo, impediu que eles filtrassem os dados em tempo real para criar um estado quântico definitivo. No entanto, o trabalho deles prova que o protocolo é viável. Ao mostrar que uma abordagem baseada em medição pode espremer um objeto macroscópico tão efetivamente, eles pavimentaram o caminho para futuros experimentos. Com melhorias adicionais para reduzir o ruído e aumentar a eficiência da medição, a equipe acredita que será possível, em breve, preparar objetos ainda maiores, incluindo potencialmente os espelhos massivos usados em detectores de ondas gravitacionais, em verdadeiros estados quânticos espremidos. Este progresso aproxima os cientistas de entender como o mundo quântico transita para o mundo clássico que experienciamos todos os dias.