Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential

No mundo microscópico, as regras da física comportam-se de forma diferente do que ocorrem em nossas vidas cotidianas. Uma das regras mais fundamentais é que existe um limite para o quão precisamente podemos conhecer o estado de um objeto. Isso não é uma falha em nossas ferramentas de medição, mas uma característica intrínseca da própria natureza, frequentemente chamada de incerteza quântica. Imagine tentar medir a posição e a velocidade de uma partícula minúscula ao mesmo tempo; quanto mais precisamente você define uma, mais imprecisa a outra se torna. Essa incerteza cria um "ruído" de fundo ou uma oscilação que existe mesmo em um vácuo perfeito, conhecido como flutuações de vácuo. Para cientistas que tentam construir sensores ultra-sensíveis ou computadores quânticos poderosos, esse ruído é um grande obstáculo. Para contornar isso, os pesquisadores utilizam uma técnica chamada compressão (squeezing). Em vez de tentar eliminar o ruído inteiramente, eles o remodelam. Eles pegam a incerteza de uma propriedade, como a posição, e a transferem para uma propriedade diferente, como o momento, que é menos importante para a tarefa em questão. Isso permite que vejam o sinal que estão procurando com muito mais clareza, criando efetivamente um estado da matéria que é mais silencioso do que a natureza normalmente permite.

Por décadas, alcançar esse tipo de controle sobre objetos mecânicos foi incrivelmente difícil, especialmente para qualquer coisa maior que um único átomo. A maioria dos experimentos bem-sucedidos exigiu o congelamento de objetos a temperaturas próximas do zero absoluto e o uso de circuitos eletrônicos complexos para estabilizá-los. No entanto, uma equipe de pesquisadores da ETH Zurich encontrou uma maneira de comprimir o movimento de um objeto sólido minúsculo à temperatura ambiente, sem a necessidade de frio extremo. Eles trabalharam com uma única nanopartícula, um aglomerado de esferas de sílica com cerca de cento e vinte nanômetros de diâmetro, o que é aproximadamente mil vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Esta partícula não estava colada ou presa a uma superfície; em vez disso, era mantida no ar por um feixe de luz laser, uma técnica conhecida como levitação óptica. Ao prender a partícula em uma câmara de vácuo e resfriar seu movimento usando a mesma luz laser, os pesquisadores levaram o movimento de rotação da partícula, ou libração, ao seu estado de energia mais baixo possível, conhecido como estado fundamental quântico.

A descoberta ocorreu quando os cientistas decidiram mudar as regras do armadilha que segurava a partícula. Normalmente, a luz do laser cria uma forma estável de bacia que mantém a partícula centralizada. Se a partícula se afasta do centro, a luz a empurra de volta, muito parecido com uma bola de gude sentada no fundo de uma tigela. Os pesquisadores, no entanto, queriam fazer algo diferente. Eles alternaram rapidamente a orientação da polarização do laser, efetivamente virando a tigela de cabeça para baixo. Nesta nova forma invertida, o centro não é mais um lugar de descanso seguro, mas um pico precário. Se você colocar uma bola de gude no topo de uma colina, até o menor toque fará com que ela role para longe, e quanto mais ela rola, mais rápido ela acelera. Foi isso o que os pesquisadores criaram para sua nanopartícula: um potencial invertido onde a partícula está pousada em um pico de instabilidade.

Quando a partícula foi colocada neste potencial invertido, seu movimento começou a mudar de uma forma dramática e previsível. Em vez de oscilar suavemente para frente e para trás, as flutuações em sua posição e velocidade começaram a crescer exponencialmente. Um aspecto de seu movimento foi esticado e amplificado, enquanto o aspecto perpendicular foi comprimido e espremido. Esse processo aconteceu com uma velocidade incrível. Em apenas duzentos e cinquenta nanossegundos — um tempo tão curto que é menos de um quinto de um único ciclo de oscilação — os pesquisadores comprimiram o movimento da partícula em onze decibéis abaixo do nível das flutuações de vácuo. Esta é uma redução significativa no ruído, o que significa que a partícula estava em um estado de movimento que era muito mais preciso do que o normalmente possível. O experimento mostrou que, ao usar este potencial invertido, eles poderiam gerar compressão quântica muito mais rápido do que a taxa na qual o ambiente normalmente destruiria o delicado estado quântico.

A equipe também observou quanto tempo esse estado comprimido poderia sobreviver. Assim que a partícula era retornada a uma armadilha estável, o estado comprimido começava a desaparecer, eventualmente retornando a um estado normal e ruidoso após cerca de trinta períodos de oscilação. Os pesquisadores determinaram que esse decaimento foi causado pela própria luz usada para resfriar e medir a partícula, que introduzia uma pequena quantidade de ruído aleatório. Eles calcularam que, se pudessem remover esta fonte específica de ruído, o estado comprimido duraria aproximadamente duzentos e quarenta períodos de oscilação, quase dez vezes mais do que o observado. Isso sugere que a limitação atual não é uma lei fundamental da física, mas sim um obstáculo técnico que pode ser superado com um melhor design experimental.

Este trabalho é significativo porque demonstra uma nova maneira de controlar o comportamento quântico de objetos massivos sem a necessidade de refrigeração criogênica. Métodos anteriores para alcançar tal compressão forte dependiam de configurações eletrônicas complexas em ambientes congelantes. Usando a luz para criar um potencial instável, os pesquisadores mostraram que o controle quântico à temperatura ambiente é possível. A capacidade de gerar esses estados comprimidos tão rapidamente e à temperatura ambiente abre as portas para novos tipos de sensores que poderiam detectar forças ou partículas incrivelmente fracas. Também fornece uma plataforma para testar os limites da mecânica quântica, permitindo que os cientistas vejam o quão grande um objeto pode ser enquanto ainda se comporta de acordo com as regras quânticas. O experimento prova que, ao manipular a forma do cenário de energia, os pesquisadores podem acelerar a geração de estados quânticos, oferecendo uma ferramenta poderosa para o futuro da detecção e metrologia quântica.