Uma equipe liderada pela Universidade de Oxford descobriu um contribuinte inesperado para a entropia na cronometragem quântica: o ato de medir. Em descobertas publicadas em 14 de novembro na Physical Review Letters, os pesquisadores mostraram que a energia necessária para ler um relógio quântico é muito maior do que a energia necessária para operá-lo. Os resultados apontam para novos desafios e oportunidades no desenvolvimento de tecnologias quânticas de próxima geração.
Relógios tradicionais, desde pêndulos até os oscilladores atômicos, dependem de processos irreversíveis para medir o tempo. Em nível quântico, esses processos tornam-se extremamente fracos ou podem quase não ocorrer, o que torna a cronometragem confiável muito mais complicada. Dispositivos como sensores quânticos e sistemas de navegação, que exigem cronometragem precisa, precisarão de relógios internos que utilizem energia de forma econômica. Até agora, o comportamento termodinâmico desses sistemas permaneceu amplamente desconhecido.
Investigando o Verdadeiro Custo Energético do Tempo
Os pesquisadores se propuseram a determinar o verdadeiro ônus termodinâmico de manter o tempo no reino quântico e separar quanto desse custo é causado pelo ato de medição.
Para explorar isso, eles construíram um pequeno relógio que utiliza elétrons únicos saltando entre duas regiões em escala nanométrica (conhecidas como um ponto quântico duplo). Cada salto serve como um “tic” do relógio. A equipe então monitorou esses tics usando duas técnicas diferentes; uma mediu correntes elétricas extremamente pequenas, enquanto a outra utilizou 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 do quântico para o clássico.
Uma Surpresa de Custo de Medição Bilionária
A equipe calculou a entropia (quantidade de energia dissipada) gerada tanto pelo relógio em si (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 usada pelo mecanismo do relógio. Este resultado desafia a crença de longa data de que os custos de medição na física quântica são negligenciáveis. Também revela algo surpreendente: a observação introduz irreversibilidade, que é o que dá à temporalidade sua direção para frente.
Essa descoberta derruba a expectativa habitual de que a melhoria dos relógios quânticos requer componentes quânticos melhores. Em vez disso, os pesquisadores argumentam que o progresso futuro depende do design 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 de Engenharia, Universidade de Oxford), afirmou: “Esperava-se que relógios quânticos operando nas menores escalas diminuíssem o custo energético da cronometragem, mas nosso novo experimento revela uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, nos relógios quânticos, os tics quânticos superam em muito o próprio funcionamento do relógio.”
De acordo com os pesquisadores, esse desequilíbrio pode realmente oferecer uma vantagem. A energia adicional usada durante a medição pode fornecer informações mais ricas sobre o comportamento do relógio, não apenas contando os tics, mas capturando cada leve flutuação. Isso pode possibilitar a construção de relógios altamente precisos que operem de maneira mais eficiente.
O coautor Vivek Wadhia (estudante de doutorado, Departamento de Ciências de Engenharia) disse: “Nossos resultados sugerem que a entropia produzida pela amplificação e medição dos tics de um relógio, que frequentemente foi ignorada na literatura, é o custo termodinâmico mais importante e fundamental da cronometragem em escala quântica. O próximo passo é entender os princípios que governam a eficiência em dispositivos em escala nanométrica para que possamos projetar dispositivos autônomos que computem e mantenham o tempo de forma muito mais eficiente, como a natureza faz.”
O coautor Florian Meier (estudante de doutorado, Technische Universität Wien) disse: “Além dos relógios quânticos, a pesquisa toca em questões profundas na física, incluindo porque o tempo flui em uma direção. Ao mostrar que é o ato de medir – e não apenas o ticar em si – que dá à temporalidade sua direção para frente, essas novas descobertas estabelecem uma conexão poderosa entre a física da energia e a ciência da informação.”
A pesquisa também envolveu colaboradores da TU Wien e do Trinity College Dublin.
