Este minúsculo relógio quântico contém um mistério energético de um bilhão de vezes

Os relógios tradicionais, desde pêndulos até osciladores atômicos, dependem de processos irreversíveis para monitorar o tempo. No nível quântico, esses processos tornam-se extremamente fracos ou quase não ocorrem, o que torna a cronometragem confiável muito mais complicada. Dispositivos como sensores quânticos e sistemas de navegação, que dependem de tempo preciso, precisarão de relógios internos que utilizem energia com moderação. Até agora, o comportamento termodinâmico destes sistemas permaneceu em grande parte desconhecido.

Investigando o custo real do tempo em energia

Os pesquisadores decidiram determinar a verdadeira carga termodinâmica de manter o tempo no domínio quântico e separar quanto desse custo é causado pelo ato de medição.

Para explorar isso, eles construíram um pequeno relógio que usa elétrons únicos saltando entre duas regiões em nanoescala (conhecidas como ponto quântico duplo). Cada salto funciona como um tique-taque semelhante a um relógio. A equipe então monitorou esses carrapatos usando duas técnicas diferentes; um mediu correntes elétricas extremamente pequenas, enquanto o outro usou ondas de rádio para detectar mudanças sutis no sistema. Em ambas as abordagens, os detectores convertem eventos quânticos (saltos de elétrons) em informações clássicas que podem ser registradas: uma transição quântica para clássica.

Uma surpresa energética de medição de um bilhão de vezes

A equipe calculou a entropia (quantidade de energia dissipada) gerada tanto pelo próprio relógio (ou seja, o ponto quântico duplo) quanto pelos dispositivos de medição. Eles descobriram que a energia necessária para ler o relógio quântico (ou seja, para converter seus minúsculos sinais em algo mensurável) pode ser até um bilhão de vezes maior do que a energia utilizada pelo mecanismo do relógio. Este resultado desafia a crença de longa data de que os custos de medição na física quântica são insignificantes. Também revela algo surpreendente: a observação introduz a irreversibilidade, que é o que dá ao tempo a sua direção futura.

Esta descoberta anula a expectativa habitual de que melhorar os relógios quânticos requer melhores componentes quânticos. Em vez disso, os investigadores argumentam que o progresso futuro depende da concepção de métodos de medição que reúnam informações de forma mais eficiente.

Repensando a eficiência no design de relógios quânticos

A autora principal, Professora Natalia Ares (Departamento de Ciências da Engenharia, Universidade de Oxford), disse:”Esperava-se que os relógios quânticos funcionando nas menores escalas reduzissem o custo de energia da cronometragem, mas nosso novo experimento revela uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, nos relógios quânticos, os tiques quânticos excedem em muito os do próprio relógio. “

Segundo os pesquisadores, esse desequilíbrio pode, na verdade, oferecer uma vantagem. A energia adicional usada durante a medição pode fornecer informações mais ricas sobre o comportamento do relógio, não apenas contando os tiques, mas capturando cada pequena flutuação. Isso poderia tornar possível a construção de relógios altamente precisos que operam com mais eficiência.

O co-autor Vivek Wadhia (estudante de doutorado, Departamento de Ciências da Engenharia) disse:”Nossos resultados sugerem que a entropia produzida pela amplificação e medição dos tiques de um relógio, que tem sido frequentemente ignorada na literatura, é o custo termodinâmico mais importante e fundamental da cronometragem na escala quântica. O próximo passo é compreender os princípios que regem a eficiência em dispositivos em nanoescala para que possamos projetar dispositivos autônomos que computam e mantêm o tempo com muito mais eficiência, como a natureza faz. “

O co-autor Florian Meier (estudante de doutoramento, Technische Universität Wien) disse: “Além dos relógios quânticos, a investigação aborda questões profundas da física, incluindo porque é que o tempo flui numa direcção. Ao mostrar que é o acto de medir – e não apenas o tique-taque em si – que dá ao tempo a sua direcção para a frente, estas novas descobertas estabelecem uma ligação poderosa entre a física da energia e a ciência da informação.”

O estudo também envolveu pesquisadores da TU Wien e do Trinity College Dublin.