Cientistas quânticos da UC Santa Bárbara conduzirão NSF

Nas escalas atómica e subatómica existem comportamentos que têm um vasto potencial para melhorar a forma como vemos e interagimos com o mundo, melhorando as tecnologias atuais e potencialmente dando origem a novas. A principal vantagem obtida com o domínio da detecção quântica é sua extrema sensibilidade e precisão, capaz de capturar os sinais mais fracos e medir nas menores escalas.

Agora, vários pesquisadores da UC Santa Bárbara estão preparados para implantar seus conhecimentos em ciência quântica como parte do programa da US National Science Foundation (NSF), Desafios de detecção quântica para avanços transformacionais em sistemas quânticos (QuSeC-TAQS). Eles se juntam a um grupo de 18 equipes de pesquisa em universidades dos EUA, apoiadas por um investimento de US$ 29 milhões da NSF, para explorar maneiras de aproveitar as propriedades da natureza em escala quântica, infinitesimais e às vezes contra-intuitivas, para criar oportunidades na escala humana.

Cada equipe receberá de US$ 1 milhão a US$ 2 milhões ao longo de quatro anos para conduzir uma ampla gama de atividades de pesquisa exploratória. Os impactos potenciais são diversos, desde a capacidade de sentir ondas gravitacionais à medida que se propagam pelo espaço, até um meio de testemunhar as funções internas das células vivas.

“Durante décadas, a exploração científica à escala quântica produziu descobertas surpreendentes sobre como o nosso universo funciona – e possibilidades tentadoras para tecnologias quânticas”, disse o diretor da NSF, Sethuraman Panchanathan. “Estamos agora a dar o próximo passo na investigação quântica através destes e de outros projectos, que combinam investigação fundamental com aplicações potenciais que podem ter um impacto positivo nas nossas vidas, na nossa prosperidade económica e na nossa competitividade como nação.”

Um magnetômetro óptico aprimorado quântica: Galan Moody e Paolo Pintus

Como o nome sugere, um magnetômetro mede um campo magnético e, ao fazê-lo, fornece informações importantes sobre os alvos em relação a esse campo. Uma bússola é um dispositivo simples, que revela informações sobre a direção de alguém em relação ao campo magnético da Terra. Os cientistas continuam a aproveitar o poder elegante dessa tecnologia numa lista crescente de aplicações, desde a arqueologia à exploração espacial.

O professor de engenharia elétrica e de computação Galan Moody e o cientista Paolo Pintus pretendem trazer a alta precisão da detecção quântica para a magnetometria e construir tudo isso em um chip. Pense no LIGO, o interferômetro laser que em 2015 detectou a menor das ondulações geradas por ondas gravitacionais originadas a 1,3 bilhão de anos-luz de distância. A equipe construirá um experimento análogo de interferômetro em um chip semicondutor que, em vez de ondas gravitacionais, pode detectar as menores variações nos campos magnéticos.

“Em vez de detectores de escala quilométrica, temos detectores de escala milimétrica”, disse Pintus, especialista em óptica integrada. O interferômetro magnetoóptico integrado fotônico proposto seria sem precedentes em sua sensibilidade - um aprimoramento de 10 vezes além do limite quântico padrão - integrado em um dispositivo compacto e energeticamente eficiente que pode ser usado para detectar campos magnéticos minúsculos com aplicações para navegação, geociências e biomedicina, bem como exploração espacial.

A chave para este novo dispositivo de baixo SWaP (tamanho, peso e potência) é o uso de luz quântica. “Podemos aproveitar décadas de pesquisa e desenvolvimento para fabricar sensores magneto-ópticos que não exijam nenhuma outra instrumentação volumosa, tornando-os compactos e portáteis”, disse Moody, cuja especialidade reside em fotônica quântica. “Normalmente, esses sensores são alimentados por lasers, mas há um limite para sua sensibilidade. Em vez disso, usando luz comprimida – um tipo especial de fonte de luz quântica que é menos ruidosa que um laser – podemos ir além deste limite.”

O uso de luz comprimida permite medições muito precisas da fase das ondas de luz em relação ao alvo, ao mesmo tempo que reduz o ruído que poderia facilmente obscurecer medições de alta precisão.