Metrologia quântica com ressonância magnética nuclear para medições de campos magnéticos e de temperatura

A precisão na medida de parâmetros, a princípio, é limitada estatisticamente pelo número de medidas feitas no sistema, sendo dada no máximo pelo limite $1/\sqrt{N}$, em que N é a quantidade de medidas realizadas num sistema. Contudo, levando-se em conta o limite físico fundamental para medidas, isto é, o limite de Heisenberg, esta precisão pode ser estendida até 1/N, se forem utilizadas N partículas em vez de uma partícula somente (medida por N vezes). Este limite é passível de ser alcançado utilizando-se de recursos quânticos (emaranhamento, por exemplo). Este trabalho demonstra como a utilização dos estados de spins quânticos altamente correlacionados chamados estados NOON pode levar a um aumento na precisão de medidas de campo magnético e temperatura até o limite de Heisenberg. Para tal,foi usada a técnica de Ressonância Magnética Nuclear (RMN), que vem demonstrando ser adequada para tal fim como descrito na literatura recente na área de Metrologia Quântica. Utilizando os sistemas de spins de amostras de trimetilfosfito e de hexafluorofosfato, moléculas que apresentam a chamada “topologia em estrela”, foi possível quantificar a vantagem de se utilizar um protocolo quântico em relação a um protocolo clássico para medir o campo magnético. O protocolo quântico mostrou o melhor desempenho para o tempo de detecção de $T_{max} = 20$ ms, onde os erros na medição atingiram o limite de Heisenberg 1/N. Um termômetro quântico, como uma prova de princípio, foi construído usando a técnica de RMN para medir a variação do campo magnético local com a temperatura. Este termômetro mostrou uma sensibilidade de 85 $nT/^ºC$ e forneceu medições na temperatura com erros escalonados aproximadamente com o limite de Heisenberg, mais precisamente $N^{-0,94}$.