Uma equipe de pesquisa da Universidade de Uppsala, na Suécia, propôs recentemente um novo método de medição do tempo. A maior característica é que não há necessidade de saber antecipadamente o momento de início do evento no experimento, que é o “ponto zero do tempo” no sentido tradicional. Este método baseia-se no comportamento de evolução quântica de átomos de hélio num estado fortemente excitado. Ao analisar sua "impressão digital" característica que muda com o tempo após uma curta irradiação de luz pulsada, ele pode ler diretamente o período de tempo decorrido, fornecendo uma nova ferramenta de escala de tempo para processos físicos e químicos ultrarrápidos que não conseguem determinar com precisão o momento inicial.
Neste trabalho, os pesquisadores primeiro usaram pulsos curtos de luz para excitar átomos de hélio em um conjunto dos chamados estados de Rydberg e colocar os átomos em um “estado de superposição” quântico no qual vários estados de Rydberg são sobrepostos. O estado de Rydberg é um tipo de estado atômico excitado com energia extremamente alta e elétrons distantes do núcleo. É extremamente sensível ao meio ambiente. A superposição quântica significa que os átomos existem em vários estados quânticos ao mesmo tempo, e sua evolução geral ao longo do tempo formará uma estrutura complexa de pacotes de ondas. O método tradicional é cronometrar com precisão o tempo a partir do momento da excitação, mas o ponto de partida deste estudo é aplicar um segundo pulso de luz após um certo tempo, medir a probabilidade de os átomos de hélio serem ionizados, ou seja, perderem elétrons e se tornarem íons carregados, e então comparar esses resultados de medição com o modelo teórico para deduzir o tempo que passou desde a formação do estado de Rydberg.
Johan Söderström, o líder da equipa de investigação, compara vividamente este processo à “leitura de uma fita métrica”: Não é preciso ver alguém a começar a medir a distância a partir da marca zero. Basta olhar para a leitura atual e você saberá se a diferença de distância do ponto inicial é de 5 centímetros ou 4.000 metros. Neste método, a superposição dos estados de Rydberg dos átomos de hélio evolui ao longo do tempo, deixando um padrão de mudança único nos observáveis - a chamada "impressão digital" do tempo, que equivale à projeção da evolução dos pacotes de ondas quânticas no espaço de observação. Ao analisar esta impressão digital e combiná-la com cálculos teóricos, os pesquisadores podem ler diretamente a “distância temporal” específica desde a geração do pacote de ondas até o momento da observação, simplesmente observando dentro de uma janela de tempo limitada.
O artigo aponta que esta impressão digital quântica em si também tem uma função de “autoverificação”: a estrutura detalhada do pacote de ondas que evolui ao longo do tempo fornece uma verificação de consistência interna para a escala de tempo correspondente, melhorando assim a confiabilidade dos resultados da medição. Em termos de experimentos específicos, a equipe combinou simulação teórica e tecnologia de espectroscopia de fotoelétrons resolvida no tempo, ou seja, utilizando dois feixes de pulsos de luz com intervalos de tempo controlados com precisão. Um feixe é usado para excitar átomos de hélio para formar pacotes de ondas do estado de Rydberg, e o outro feixe é usado para eliminar elétrons e registrar a evolução do sinal do fotoelétron ao longo do tempo. Os resultados experimentais são altamente consistentes com as previsões teóricas, indicando que este método pode não apenas obter informações de tempo, mas também inferir diferenças sutis de energia, como "defeitos quânticos" no estado de Rydberg dos átomos de hélio, ajudando assim a aprofundar a compreensão da estrutura atômica.
Os pesquisadores usaram novamente a analogia de uma fita métrica: ao registrar distâncias curtas, apenas uma pequena seção da escala da fita precisa ser lida, enquanto medir longas distâncias requer um alcance de escala maior. Correspondente à medição do tempo, se o evento estiver muito próximo do “ponto de partida desconhecido”, apenas observar as impressões digitais em um intervalo de tempo menor é suficiente para restaurar o tempo; para evoluções mais distantes do ponto de partida, as impressões digitais em um intervalo de tempo mais longo devem ser registradas para garantir que a escala de tempo correta seja correspondida. Portanto, este método não é um processo único de medição estático, mas ajusta dinamicamente a quantidade de dados necessários de acordo com o período de tempo a ser medido, fornecendo uma solução flexível de temporização quântica para experimentos em diferentes escalas de tempo.
É importante notar que a maior parte do trabalho experimental para este estudo foi realizada nas instalações HELIOS do laboratório de Ångström durante a pandemia do coronavírus e no contexto do encerramento temporário de algumas instalações da Universidade de Uppsala. Em um ambiente relativamente fechado, a equipe conseguiu se concentrar no uso do tempo experimental para verificar e otimizar repetidamente o método de impressão digital do tempo. Depois de provar inicialmente que o método é viável, os pesquisadores propuseram ainda que, no futuro, este método deverá ser estendido a sistemas moleculares, como para estudar o processo de dissociação molecular e seu impacto no estado de Rydberg, para avaliar a aplicabilidade universal desta tecnologia em sistemas físicos mais complexos.
Embora esta nova abordagem seja conceptualmente capaz de fornecer uma escala de tempo absoluta, não foi concebida para substituir os relógios tradicionais utilizados na vida quotidiana. A equipe de pesquisa deixou claro que é mais adequado como ferramenta especial em experimentos de espectroscopia bomba-sonda para cenários onde a evolução rápida do processo precisa ser observada com resolução de tempo extremamente curta. Nesses experimentos, o primeiro pulso desencadeia o processo, e o segundo pulso é responsável por tirar um "instantâneo do tempo". No entanto, o momento inicial é muitas vezes difícil de definir com precisão ou mesmo diretamente observável. Espera-se que esse conjunto de métodos quânticos de impressão digital forneça uma escala de tempo absoluta para esses processos rápidos, sem primeiro determinar o "ponto zero do tempo".
De uma perspectiva mais ampla, esta pesquisa fornece uma nova ideia para medir o tempo sob a condição de "sem informação de ponto de partida", ou seja, baseando-se inteiramente na evolução do próprio estado quântico para codificar e decodificar informações de tempo, em vez de usar mecanismos de contagem tradicionais. Os pesquisadores destacam que este método não é adequado para todos os tipos de medições de tempo, mas pode se tornar uma ferramenta extremamente precisa e complementar, com vantagens únicas em campos experimentais onde é difícil para as tecnologias existentes bloquear com precisão o momento inicial, ou no estudo de processos ultrarrápidos dentro de átomos e moléculas. Resultados relevantes foram publicados em revistas acadêmicas e atraíram a atenção de instituições como a Universidade de Uppsala e a American Physical Society. É considerada uma exploração importante no caminho de pesquisa da medição do tempo quântico.