Cientistas descobriram uma nova forma de medir o tempo.

Medir a passagem do tempo no nosso quotidiano, povoado por relógios de ponteiros e pêndulos oscilantes, costuma resumir-se a uma tarefa banal: contar os segundos entre o “antes” e o “agora”.

Quando descemos para a escala quântica, onde os eletrões vibram e zumbem em torno dos núcleos, a história complica-se. O “antes” nem sempre é previsível e, para agravar, o “agora” pode esbater-se numa zona cinzenta de incerteza. Nestas condições, um simples cronómetro deixa de ser a ferramenta certa.

Uma alternativa possível pode estar escondida na própria forma dessa “névoa” quântica, de acordo com um estudo de 2022 conduzido por investigadores da Universidade de Uppsala, na Suécia.

Veja o vídeo abaixo para um resumo dos resultados.

Os ensaios centraram-se na natureza ondulatória de um fenómeno conhecido como estado de Rydberg, revelando um método de medir intervalos de tempo que não exige um ponto inicial definido com precisão.

Átomos de Rydberg e o estado de Rydberg: eletrões “insuflados” por lasers

Os átomos de Rydberg são, por assim dizer, os balões demasiado cheios do mundo das partículas. Em vez de serem insuflados com ar, são “inchados” com lasers: o átomo fica com um eletrão num estado de energia extremamente elevado, a circular a grande distância do núcleo.

Ainda assim, nem cada impulso de laser tem de empurrar um átomo para dimensões quase caricaturais. Na prática, lasers são usados regularmente para “excitar” eletrões para níveis de energia superiores, com múltiplas aplicações científicas e tecnológicas.

Em certos contextos, um segundo laser pode acompanhar como a posição do eletrão se altera ao longo do tempo - incluindo a própria passagem do tempo. Estas abordagens, conhecidas como técnicas bomba-sonda, permitem, por exemplo, medir a velocidade de determinados processos eletrónicos ultrarrápidos.

Levar átomos a estados de Rydberg é também um recurso valioso para engenheiros, sobretudo no desenvolvimento de componentes inovadores para computadores quânticos. Por isso, os físicos acumularam já um corpo substancial de conhecimento sobre a forma como os eletrões se comportam quando são “empurrados” para um estado de Rydberg.

Pacote de ondas de Rydberg, interferência e “impressões digitais” do tempo

Apesar desse conhecimento, importa lembrar que estes eletrões são “animais quânticos”: o seu movimento não se assemelha a contas a deslizar num ábaco minúsculo. Aproxima-se mais de uma noite numa mesa de roleta, em que cada salto e cada trajetória ficam condensados num único jogo de probabilidades.

O “livro de regras” matemático por trás deste jogo chama-se pacote de ondas de Rydberg.

Tal como acontece com ondas reais, quando mais do que um pacote de ondas de Rydberg se propaga na mesma região, surge interferência, formando padrões característicos. E se “atirarmos” pacotes de ondas suficientes para o mesmo “lago” atómico, cada padrão pode corresponder ao tempo necessário para esses pacotes evoluírem em conjunto, em relação uns aos outros.

Foi precisamente esta ideia - padrões como “impressões digitais” temporais - que os autores destes ensaios procuraram validar, demonstrando que tais assinaturas podem ser consistentes e fiáveis ao ponto de funcionarem como uma forma de carimbo temporal quântico.

O que foi medido: hélio excitado por laser e previsões teóricas

O trabalho envolveu medir os resultados obtidos em átomos de hélio excitados por laser e comparar essas medições com previsões teóricas. O objetivo foi mostrar que as assinaturas observadas (os padrões de interferência) podem representar uma duração de tempo.

“Se estiver a usar um contador, tem de definir o zero. Começa a contar a partir de um certo ponto”, explicou em 2022 a física Marta Berholts, da Universidade de Uppsala, que liderou a equipa, à revista Novo Cientista.

“A vantagem aqui é que não precisa de ‘ligar’ o relógio - limita-se a olhar para a estrutura de interferência e dizer: ‘ok, já passaram 4 nanossegundos’.”

Como isto pode complementar a espectroscopia bomba-sonda

Na prática, um “manual” de pacotes de ondas de Rydberg em evolução poderia ser usado em conjunto com outras formas de espectroscopia bomba-sonda destinadas a medir acontecimentos em escalas minúsculas - precisamente quando o “antes” e o “agora” são difíceis de distinguir ou, simplesmente, demasiado incómodos de determinar.

O aspeto crucial é que estas “impressões digitais” não exigem um início e um fim claramente definidos para o intervalo temporal. Seria como inferir o tempo de corrida de um velocista desconhecido comparando-o com vários adversários que correm a velocidades estabelecidas.

Ao procurar a assinatura de interferência entre estados de Rydberg numa amostra analisada por técnicas bomba-sonda, técnicos poderiam ler um carimbo temporal para eventos tão fugazes quanto 1,7 picossegundos (1,7 biliardésimos de segundo).

Próximos passos: outros átomos, outras energias, mais carimbos temporais

Experiências futuras com “relógios” quânticos deste tipo poderão substituir o hélio por outros átomos, ou recorrer a impulsos de laser com energias diferentes. Dessa forma, seria possível alargar o catálogo de carimbos temporais e adaptá-lo a um leque mais vasto de condições experimentais.

Além disso, uma biblioteca mais completa de padrões de interferência poderá ajudar a escolher a configuração mais robusta perante perturbações reais de laboratório, como ruído nos impulsos de laser ou efeitos de descoerência que tendem a degradar assinaturas quânticas.

Este estudo foi publicado na revista Revisão Física: Investigação.

Uma versão anterior deste artigo foi publicada em outubro de 2022.