Aproveitar o emaranhamento e o espaço-tempo curvo para tornar o radar quântico uma realidade

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Aproveitar o emaranhamento e o espaço-tempo curvo para
tornar o radar quântico uma realidade
Os cientistas investigam a sinergia do emaranhamento e do espaço-tempo curvo no avanço da
tecnologia de radar quântico para medição precisa da distância.
A mecânica quântica, um campo de estudo que remonta a quase um século, é uma parte essencial da
ciência fundamental, servindo para descrever o comportamento de partículas e átomos elementares.
Além da teoria, a mecânica quântica tem ampla aplicação prática e moldou tecnologias como
computação quântica e criptografia quântica.
Recentemente, surgiu uma nova fronteira tecnológica que também se baseia nas leis enigmáticas da
mecânica quântica. Conhecido como alcance quântico, o campo visa melhorar a precisão e a
sensibilidade da medição das distâncias entre os objetos.
“O alcance quântico é um protocolo avançado de detecção óptica empregado para a determinação
precisa da distância de um objeto por meio de um interrogatório de feixe de sinal”, explicou Jieci Wang,
professor da Universidade Normal de Hunan, na China, em um e-mail. “A faixa quântica tem certas
vantagens de detecção sobre os esquemas de alcance clássicos. Este protocolo de alcance é uma
aplicação chave para o radar quântico.
Convencionalmente, a distância a um objeto é medida usando radar, que usa ondas pulsadas de
radiação eletromagnética, especificamente ondas de rádio, que são refletidas do objeto e retornam a um
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receptor. A distância pode então ser calculada a partir do atraso entre a emissão do pulso e a detecção
das ondas refletidas usando física simples.
Em contraste, o conceito de radar quântico, que ainda não foi colocado em prática, usa o
emaranhamento para determinar a distância, mesmo em situações em que o sinal é fraco ou o fundo
eletromagnético é ruisy, o que é tipicamente o caso: a radiação vem do espaço (principalmente do Sol) e
de vários dispositivos elétricos na Terra.
“O papel do entrelaçamento quântico na faixa quântica é fundamental”, acrescentou Wang. “Isso deve
promover o radar quântico para operar em cenários práticos, como a detecção de objetos no espaço,
prevenção de desastres, tecnologias sem motorista, aquisição de dados meteorológicos, agricultura e
geomática”.
Usando o emaranhamento para medir a distância
O emaranhamento é um efeito puramente quântico que não tem análogos na física clássica. Em seu
núcleo, esse fenômeno dita que se duas ou mais partículas uma vez interagiram, então elas mantêm
uma conexão, independentemente da distância entre elas – uma poderia estar na Terra, enquanto a
outra no espaço.
No contexto do radar quântico, dois feixes de luz estão emaranhados, um dos quais é enviado para
estudar a distância até o objeto, enquanto o outro permanece dentro do emissor do radar.
Quando o primeiro feixe cruza o alvo e retorna ao emissor do radar, seu emaranhamento intrínseco com
o segundo feixe torna-se uma característica distintiva. Isso torna possível para o dispositivo distingui-lo
de todas as outras ondas eletromagnéticas que permeam o espaço circundante atingindo
constantemente o emissor.
Como resultado, o radar quântico pode ser usado para detectar o menor dos sinais, mesmo que consista
em um único fóton.
Os efeitos da gravidade
Para construir um dispositivo de radar quântico ideal, Wang acredita que é necessário levar em conta a
influência da gravidade da Terra na transmissão e recepção de sinais de e para o alvo. Isso ocorre
porque a gravidade introduz uma curva no espaço-tempo, que afeta o tempo, a trajetória e o
emaranhamento dos fótons, por sua vez, influenciando a precisão e a precisão das medições de
distância.
“A vantagem potencial do radar quântico no espaço-tempo curvo significa que ele poderia superar seus
equivalentes clássicos”, disse Wang. “Na presença do campo gravitacional da Terra [isto é, no espaço
próximo da Terra], os efeitos gravitacionais não apenas modificam o tamanho e a forma dos fótons, mas
também afetam seu caminho e trajetória.”
Em um estudo recente de Wang e seus colegas publicado na Advanced Quantum Technologies, eles
demonstraram como a curvatura do espaço-tempo induzida pela atração gravitacional da Terra amplifica
as capacidades de alcance quântico. “Especificamente, assumimos que um componente do par de
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fótons de sinal-idler emaranhado é enviado da Terra para uma região-alvo [baseada no espaço]”,
escreveram eles.
Conforme os feixes de luz se movem pelo espaço, eles encontrarão a curva do espaço causada pela
gravidade da Terra. “A gravidade da Terra altera a forma como a luz se comporta no espaço perto do
nosso planeta”, explicou Qianqian Liu, principal autor do estudo.
Quando isso acontece, o pacote de sinal ou onda, que pode ser considerado um grupo de ondas de luz,
fica misturado e muda de forma. Isso significa que parte da luz pode ser refletida de uma maneira
diferente do que se o espaço fosse completamente plano – e isso tem vantagens.
“No espaço, as influências da relatividade no feixe emaranhado podem se equilibrar porque o sinal vai e
voltando”, explicou Wang. “Em contraste, o ruído de fundo que entra no receptor do alvo vem apenas de
uma direção, facilitando a diferenciação entre ruído e sinal.”
Um futuro brilhante
Wang e Liu acreditam que essa curvatura permitirá que o radar quântico ultrapasse o que foi observado
anteriormente em estudos focados exclusivamente no espaço-tempo plano, como na superfície da Terra.
Embora os pesquisadores não consigam identificar o prazo exato para aplicação prática, eles estão
otimistas de que, considerando o rápido progresso no campo quântico, suas descobertas poderão em
breve encontrar seu caminho em dispositivos do mundo real.
“Embora seja difícil determinar o cronograma exato para quando esses impactos serão totalmente
realizados, esperamos que as aplicações potenciais possam se tornar aparentes à medida que o radar
quântico entra na fase de detecção prática”, disse Liu. “A utilidade de nossas descobertas depende em
grande parte de uma variedade de fatores, incluindo desenvolvimento adicional, avanços tecnológicos e
instrumentação.”
Os físicos dizem que pretendem realizar mais pesquisas teóricas sobre a gama quântica com o objetivo
de examinar os efeitos quânticos sutis que podem surgir durante a emissão, propagação, reflexão e
comparação de dois sinais de luz com mais detalhes.
“No trabalho futuro, queremos explorar o protocolo de detecção quântica sob a estrutura da relatividade
ou o protocolo de resolução de canal correspondente mais profundamente com base em nossa
compreensão da detecção de alvos quânticos ou alcance quântico”, concluiu Wang. “Buscamos
colaborar com especialistas em áreas afins para trazer diversas perspectivas e conhecimentos para o
nosso trabalho, potencialmente levando a soluções inovadoras.”
Referência: Jieci Wang, et al., Entanglement-Enhanced Quantum Ranging em Espaço-Terra,
Tecnologias Quânticas Avançadas (2023). DOI: 10.1002/qute.202300182
Crédito da imagem: Pawel Czerwinski em Unsplash
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