Recentemente, o campo global da medição de precisão quântica tem registado avanços marcantes consecutivos. A equipa da Universidade de Tsinghua, na China, e um consórcio de investigação de vários países europeus publicaram, quase simultaneamente, resultados de investigação sobre relógios nucleares ópticos na revista Nature, tendo alcançado, por vias tecnológicas distintas, o funcionamento estável em ciclo fechado do relógio nuclear óptico de tório-229 — a primeira vez que a humanidade aprofunda um padrão de referência temporal operacional dos níveis de energia dos eletrões das camadas externas do átomo para o interior do núcleo atómico.
Thorsten Schumm, físico atómico da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, e membro principal da equipa europeia, admitiu que construir um relógio nuclear óptico é «um sonho tornado realidade». Este domínio era, até há pouco tempo, «um nicho tranquilo», mas «agora temos uma competição global intensa, ainda que amigável».
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Precisão dos relógios nucleares ópticos poderá superar a dos relógios atómicos
Durante muito tempo, a referência temporal do sistema tecnológico moderno foi fornecida por relógios atómicos, que cronometram com base nas transições de nível energético dos eletrões das camadas externas dos átomos e sustentam o funcionamento preciso da navegação por satélite, das comunicações elétricas, da exploração do espaço profundo e de outros domínios. No entanto, os níveis energéticos eletrónicos são suscetíveis a perturbações do ambiente externo, como temperatura, campos magnéticos e impulsos eletromagnéticos, e a sua precisão aproxima-se gradualmente do limite teórico. O relógio nuclear óptico utiliza as transições de nível energético do núcleo atómico como «metrónomo» e, em princípio, é menos afetado por perturbações externas, pelo que se espera alcançar precisão e estabilidade superiores às dos melhores relógios atómicos existentes, tornando-se assim uma direção de fronteira perseguida conjuntamente pela metrologia e pela física a nível mundial.
Em 2024, três equipas de investigação, incluindo o Instituto Nacional de Normas e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST), relataram ter utilizado lasers para desencadear a transição de relógio no interior do núcleo de tório. Anteriormente, a energia desses saltos era apenas medida indiretamente. Os físicos observaram pela primeira vez diretamente o sinal de transição nuclear, completando o salto da previsão teórica para a verificação experimental, mas na altura ainda não se tinha alcançado a cronometragem contínua com bloqueio em ciclo fechado.
Em 2026, a investigação técnica entrou numa fase de colheita concentrada. Em junho, a equipa europeia, composta pela Universidade Técnica de Viena, pelo Instituto Federal de Física e Metrologia da Alemanha (PTB) e outras instituições, publicou um pré-print no qual construiu um relógio nuclear óptico de tório-229 com circuito de realimentação; em outubro, a equipa da Universidade de Tsinghua e a equipa europeia publicaram quase simultaneamente os resultados formais na Nature, tendo ambas alcançado, por rotas tecnológicas diferentes, o funcionamento estável em ciclo fechado do relógio nuclear óptico: a equipa europeia adotou um esquema de leitura por absorção com tubo ótico de cristal de tório de alta concentração, enquanto a equipa chinesa adotou um esquema com laser ultravioleta de vácuo de 148 nanómetros desenvolvido autonomamente e cristal de fluoreto de cálcio dopado com tório de baixa concentração, registando cada uma avanços distintos no indicador de estabilidade à escala do segundo.
O físico teórico Gilad Perez, do Instituto Weizmann de Ciência, em Israel, ao comentar simultaneamente os dois trabalhos, afirmou que o relógio nuclear óptico passou de «um sistema com potencial» a «um instrumento de precisão utilizável», capaz de explorar nova física. Na sua opinião, este é apenas o ponto de partida para a aceleração do desenvolvimento deste domínio.
Numa avaliação técnica oficial publicada em agosto, o NIST indicou que os protótipos de relógio nuclear óptico das duas equipas apresentam atualmente um funcionamento fiável, com um erro correspondente à deriva de frequência diária de cerca de 1 segundo em 3 milhões de anos, mas ainda não superam a precisão de longo prazo dos melhores relógios atómicos tradicionais atuais, cujo erro não excede 1 segundo em 40 mil milhões de anos. A melhoria da eficiência dos lasers ultravioleta de vácuo, a otimização dos materiais cristalinos, a miniaturização do sistema e a melhoria da adaptabilidade ambiental são os principais eixos de investigação conjunta das equipas de vários países na próxima fase.
O foco da competição desloca-se para «se é utilizável»
Os avanços intensivos dos relógios nucleares ópticos são apenas um microcosmo da competição no domínio global da medição de precisão quântica. Como uma das três principais direções da tecnologia quântica, a medição de precisão quântica utiliza as propriedades dos estados quânticos para realizar medições de altíssima precisão de grandezas físicas, abrangendo múltiplas dimensões como tempo, gravidade, campo magnético, corrente e inércia, sendo designada por «régua de nível quântico», e está a passar gradualmente da investigação fundamental para cenários de aplicação concreta, como exploração de recursos, prevenção e mitigação de catástrofes, defesa e indústria militar, e fabrico de alta gama.
Os principais países tecnológicos do mundo já elevaram a medição de precisão quântica ao nível de domínio de competição estratégica. Por exemplo, os gravímetros quânticos podem ser utilizados na exploração de recursos subterrâneos e no monitorização geológica. Entre os equipamentos de gravidade quântica de alta precisão desenvolvidos pela empresa norte-americana AOSense, alguns produtos já entraram na fase de engenharia, tendo a NASA e empresas do setor energético como utilizadores importantes. A União Europeia, através do «Programa Quântico Europeu», pretende investir mil milhões de euros até 2030, integrando os esforços de investigação de vários países para impulsionar a aplicação comercial da tecnologia de sensores quânticos, formando uma forte capacidade de transferência industrial nos domínios dos magnetómetros quânticos e dos interferómetros atómicos. O Japão e a Coreia do Sul também lançaram sucessivamente estratégias específicas, reforçando a investigação e o controlo de exportação da tecnologia de medição de precisão quântica.
O foco da competição está a deslocar-se gradualmente de «se é possível medir» para «se é utilizável». No domínio do tempo e frequência, além da exploração de ponta dos relógios nucleares ópticos, rotas tecnológicas maduras como os relógios de rede óptica também estão em constante iteração. O relógio de rede óptica de átomos de estrôncio desenvolvido pela equipa da Universidade de Ciência e Tecnologia da China alcançou estabilidade e incerteza na ordem de 10-19, integrando-se na vanguarda internacional e fornecendo dados chineses para a redefinição do «segundo» do Sistema Internacional de Unidades.
Michael Biercuk, diretor executivo da empresa de controlo quântico Q-CTRL, afirmou que a deteção quântica é o ramo mais próximo da comercialização no domínio das tecnologias quânticas e também «o maior vencedor a curto prazo».
O documento «A Revolução Quântica: Um Guia para os Decisores Políticos dos Aliados», publicado em julho deste ano pela Instituição Hoover da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, mostra que, entre as três grandes direções — computação quântica, comunicação quântica e medição de precisão quântica —, a deteção quântica, forma central de aplicação da medição de precisão quântica, apresenta o caminho de comercialização mais curto.
A transferência para aplicações encontra-se numa fase crítica
De um modo geral, a medição de precisão quântica a nível mundial encontra-se ainda numa fase crítica de transição da investigação fundamental para a aplicação. Mesmo o relógio nuclear óptico, que registou o progresso mais rápido, é atualmente apenas um dispositivo protótipo de laboratório, volumoso e com condições de funcionamento exigentes; a subsequente investigação de engenharia para miniaturização, baixo consumo energético e adaptabilidade ambiental, bem como a adaptação a cenários embarcados em satélites, veículos e navios, são os desafios centrais que os vários países enfrentam conjuntamente na próxima fase. Além disso, nos elos a montante, como os chips de sensores quânticos de alta gama e os componentes optoeletrónicos essenciais, as cadeias de valor globais apresentam deficiências de diferentes graus.
Ding Shiqian, professor associado da Universidade de Tsinghua, afirmou que este avanço abre um caminho possível para a realização de relógios ópticos compactos e robustos em equipamentos de navegação e comunicação. Schumm indicou que o relógio nuclear óptico com cristal já se encontra em desenvolvimento comercial.
«Anteriormente, os cristais transparentes necessários para alojar o tório-229 eram tecnicamente exigentes e dispendiosos de produzir, o que impunha verdadeiras limitações a qualquer aplicação prática», assinalou Harry Morgan, professor de química teórica da Universidade de Manchester, no Reino Unido, numa análise à investigação sobre relógios nucleares ópticos. «Este novo método representa um progresso importante para o futuro dos relógios nucleares ópticos; sem dúvida, este dispositivo é viável e poderá estar mais próximo do que qualquer um esperava.»
O programa «NIST on a Chip» do NIST reflete esta mudança de orientação: comprimir a capacidade de medição de alta precisão, antes só possível em laboratórios metrológicos nacionais, em dispositivos ao nível do chip, levando-a a fábricas, hospitais, campo e outros cenários reais.
Nesta corrida global, a China, graças ao seu sistema industrial completo, ao investimento contínuo em investigação e ao vasto mercado de aplicação, tornou-se um participante importante. Em subdomínios como tempo e frequência, magnetómetros quânticos e sensores quânticos de corrente, os resultados das equipas de investigação chinesas situam-se na primeira linha internacional, ao mesmo tempo que se acelera a transferência para a engenharia e a construção do ecossistema industrial. Com o aumento contínuo do investimento dos vários países, espera-se que a iteração tecnológica e a implementação industrial no domínio da medição de precisão quântica se acelerem ainda mais, trazendo nova dinâmica de base para o desenvolvimento tecnológico global.