O que são relógios atômicos e quânticos e por que a NASA precisa deles

Três equipes de pesquisadores do Centro Goddard de Voos Espaciais, da NASA, estão investigando como trazer mais precisão cronológica para futuras missões espaciais. Na Terra, não há grandes problemas se um relógio de pulso atrasar alguns segundos; já no espaço, cada bilionésimo de segundo é crucial para que sondas, satélites e outros dispositivos funcionem corretamente.

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A equipe liderada por Alejandro Rodriguez Perez, por exemplo, está trabalhando com técnicas de sincronização quântica. Perez explica que nossa sociedade precisa de relógios sincronizados para uma série de funções, que vão desde o gerenciamento de redes elétricas até transações financeiras. “Já a NASA usa a sincronização para determinar a posição de espaçonaves e estabelecer padrões de navegação”, explicou.

Agora, façamos um exercício: se você sincronizar dois relógios, eles deveriam mostrar sempre o mesmo horário, certo? Na realidade, quanto mais o tempo passa, mais fora de sincronia os relógios ficam — principalmente se um deles estiver em uma espaçonave. Assim, Perez quer trabalhar com uma tecnologia quântica para sincronizar dois relógios com alta precisão e mantê-los assim.

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Na física quântica, dizemos que duas partículas estão entrelaçadas quando se comportam como um objeto só, ocupando dois estados de uma vez. No caso dos relógios, protocolos quânticos aplicados em fótons entrelaçados podem render uma forma mais segura de sincronizar relógios a distâncias longas — inclusive onde o acesso ao GPS é limitado, como a Lua ou destinos ainda mais distantes.

Foto tirada durante a execução do protocolo de sincronização de relógios quânticos (Imagem: Reprodução/NASA/Matthew Kaufman)

Enquanto isso, outra equipe vem trabalhando em uma tecnologia de relógios que pode ajudar a levar a tecnologia de conexão entre telescópios ao espaço. Para entender, considere que, quanto maior o telescópio, melhores as imagens obtidas.

Portanto, se fosse possível ter um telescópio do tamanho da Terra, as possibilidades seriam imensas, certo? “Isso obviamente não é prático, mas o que podemos fazer é ter vários telescópios em diferentes lugares, e ter cada um registrando os sinais com alta precisão cronológica”, explicou Guan Yang, físico óptico na NASA.

A combinação das observações realizadas por telescópios menores em rede, imitando um maior, forma a chamada interferometria de linha de base muito longa (VLBI) — foi esta a técnica usada para capturar a primeira foto de um buraco negro. Para funcionarem, os telescópios precisam de relógios de alta precisão. O desenvolvimento desta tecnologia pode permitir levar missões do tipo ao espaço, proporcionando ainda mais descobertas.

Por fim, a terceira e última equipe é liderada por Holly Leopardi, física que estuda relógios atômicos ópticos. Eles são um tipo de relógio atômico ainda mais preciso, e Leopardi e seus colegas querem desenvolver uma versão especial para espaçonaves. Para isso, eles trabalham com a OASIC, sigla de “relógio óptico atômico de íons de estrôncio”; as espaçonaves atuais usam frequências de micro-ondas, e os OASIC, ópticas.

Segundo Leopard, as frequências ópticas oscilam muito mais rapidamente, permitindo uma resolução mais precisa na contagem. “Quando você usa esses relógios de altíssima precisão, pode começar a observar as mudanças físicas fundamentais que ocorrem no espaço”, disse Leopardi, “e isso pode nos ajudar a entender melhor os mecanismos do nosso universo”, finalizou.