O lugar mais frio do universo

A equipe da Aquark a bordo do HMS Pursuer. Crédito: Aquark

Uma empresa britânica atingiu a temperatura de -273,149996°C na tecnologia quântica que utiliza em seu relógio atômico, criando, efetivamente, o lugar mais frio do universo. Trata-se de uma solução de alta tecnologia para um problema antigo: a navegação precisa no mar sem o auxílio de sistemas de satélite.

Alexander Jantzen, cofundador e diretor de operações da Aquark Technologies, explica: “No início do século XVIII, a latitude era determinada pela observação da posição de estrelas distantes conhecidas acima do horizonte, porém a longitude era um mistério perigoso. O problema da longitude surge do fato de nosso planeta girar e não termos um ponto de referência fixo para comparação quando estamos em alto mar.”

A solução para esse problema surgiu em 1735, quando John Harrison desenvolveu o primeiro cronômetro marítimo prático.

“A solução para a precisão da navegação era – e ainda é – a cronometragem precisa”, diz Jantzen. “Harrison resolveu o problema da longitude, mostrando como o posicionamento preciso era possível com o cronômetro (o instrumento de medição do tempo mais confiável da época). Ele comparou a hora de um local conhecido – como o ponto de partida do navio – com a hora do dia no local onde o navio estava. Saber a diferença de tempo em relação ao meio-dia permitia que o navio soubesse com precisão sua posição longitudinal.”

Na década de 1980, os sistemas de navegação por satélite do Sistema Global de Navegação por Satélite (incluindo o GPS) tornaram os cronômetros praticamente obsoletos para a navegação prática, porque os sinais de tempo necessários para uma navegação precisa passaram a vir principalmente de relógios atômicos em satélites GNSS.

Caso o GNSS seja interrompido, os relógios atômicos fornecem uma reserva de sinal confiável, fornecendo um sinal de temporização estável até que o acesso ao GNSS seja restaurado, pois oferecem um tique-taque altamente preciso, confiável e contínuo que não pode ser interferido.

“Em alto mar, a detecção de falsificação de sinal só é tão boa quanto a sua referência de tempo. Os sistemas de ponte precisam de algo que 'marque' com precisão como fonte de referência. Quando tudo está bem, os sistemas de posicionamento, navegação e temporização (PNT) da ponte de uma embarcação terão os mesmos 'tiques' que um relógio atômico. Mas quando um receptor GNSS é falsificado, seu tempo de resposta acelera em relação ao 'tique' de referência, o que pode resultar em dados de posicionamento não confiáveis e erros de navegação perigosos se a falsificação não for detectada”, diz Jantzen.

“A resiliência do PNT pode ser alcançada quando o sistema detecta uma lacuna entre os sinais do relógio atômico e do GNSS. O sistema pode alternar para o sinal de tempo do relógio atômico durante a falsificação e retornará ao GNSS quando a lacuna de sincronização for fechada.”

“Os melhores sistemas de temporização de precisão atuais medem as propriedades de frequência naturais e estáveis dos átomos, conforme definidas pela mecânica quântica, e as utilizam para corrigir desvios em relação a um ponto esperado, tipicamente um oscilador de 10 MHz”, afirma Jantzen. “Para gerar a maior precisão possível, é necessário acessar o átomo sem perturbações pelo maior tempo possível para eliminar ruídos e compensar variações aleatórias. Na Aquark, fazemos isso resfriando os átomos a laser próximo ao zero absoluto.”

Na temperatura extrema alcançada pelo Aquark, o "tique" quântico natural do átomo pode ser medido por períodos mais longos, já que o movimento natural dos átomos é reduzido em um fator de quase 10.000, de 290 m/s para 34 mm/s. A frequência do relógio é continuamente verificada em relação à frequência atômica e corrigida automaticamente, se necessário, reduzindo sua deriva a longo prazo sem exigir qualquer correção do sinal de temporização normalmente fornecido pelo GNSS.

O AQlock é o primeiro relógio atômico comercialmente disponível fabricado no Reino Unido. Crédito: Aquark

Em junho de 2025, a Aquark firmou uma parceria com a Marinha Real Britânica para implantar o AQlock a bordo do HMS Pursuer para um teste de mar de três dias. O teste foi o primeiro desse tipo, avaliando a estabilidade do AQlock em condições de mar aberto. Durante os testes, o relógio de átomos frios operou continuamente, fornecendo cronometragem precisa sem correção do GNSS, apesar de estar exposto ao balanço e à inclinação constantes da embarcação.

A Aquark realizou o primeiro teste subaquático de sua armadilha de átomos frios AQuest a bordo do veículo subaquático autônomo Autosub Long Range do Centro Nacional de Oceanografia. Crédito: Aquark

A Aquark também realizou o primeiro teste subaquático de sua armadilha de átomos frios AQuest, um componente chave do AQlock, em condições dinâmicas a bordo do veículo subaquático autônomo Autosub Long Range do Centro Nacional de Oceanografia. Os dados coletados forneceram métricas de desempenho sobre o comportamento e a robustez do sistema em diferentes temperaturas e pressões.

“O que torna o teste notável é que o resfriamento de átomos por laser historicamente só era possível quando um sistema era cuidadosamente isolado da maioria das perturbações externas, o que já representa um grande desafio de engenharia em terra firme. Portanto, foi uma conquista ver nossa tecnologia principal – a Super-Armadilha de Melaço – funcionar debaixo d'água para formar nuvens de átomos ultrafrios.”

Descoberta em 2019 na Universidade de Southampton, a Super Armadilha de Melaço usada pela AQlock simplifica a receita consagrada para a produção de átomos frios, reduzindo-a a um sistema muito mais simples que requer apenas a geometria adequada da luz laser e um vácuo ultra-alto (pressão equivalente à do espaço sideral). O que a torna única é o fato de não necessitar de um campo magnético auxiliar.

É difícil superestimar a importância disso em termos de engenharia, pois elimina cerca de 50% da complexidade do sistema, afirma Jantzen. Isso muda fundamentalmente a forma como os átomos são usados e abre caminho para uma alternativa àquela que norteou toda a área por quase quatro décadas.

“A Super Armadilha de Melaço nos permite reduzir o tamanho, o peso, o custo e o consumo de energia dos sistemas de detecção quântica.”

Esse tem sido o principal desafio para os relógios atômicos até o momento. Quanto mais precisos, maiores eles se tornam. Sistemas de átomos frios convencionais e de alto desempenho, como as armadilhas magneto-ópticas, continuam volumosos, caros e impraticáveis fora de ambientes de laboratório.

A Aquark está cada vez mais perto de alcançar seu objetivo de reduzir a dependência global do GNSS em operações, infraestrutura, telecomunicações, finanças, transporte e muitos outros setores. “A tecnologia de matéria fria é o cerne do nosso trabalho – e o tempo é apenas uma das aplicações. Com a demanda e a inovação futuras, a Aquark estará em uma posição privilegiada para desenvolver dispositivos de matéria fria que atendam a todo o espectro de aplicações potenciais. Isso pode incluir sensores de gravidade para navegação avançada, exploração subaquática e monitoramento ambiental, bem como novas capacidades em radiofrequência e sensoriamento de força inercial.

“Há uma clara necessidade de resiliência hoje em dia, porém acreditamos que o maior potencial da tecnologia está em aplicações ainda por serem exploradas.”

“A solução para a precisão da navegação era – e ainda é – a sincronização precisa.” Crédito: Aquark