Un equipo dirigido por la Universidad de Oxford ha descubierto un factor inesperado que contribuye a la entropía en el cronometraje cuántico: la propia medición. En hallazgos publicados el 14 de noviembre. carta de revisión físicaLos investigadores demuestran que la energía necesaria para leer un reloj cuántico es mucho mayor que la energía necesaria para ejecutarlo. Sus resultados apuntan a nuevos desafíos y oportunidades para desarrollar tecnologías cuánticas de próxima generación.
Los relojes tradicionales, desde péndulos hasta osciladores nucleares, se basan en mecanismos invariantes para seguir el tiempo. A nivel cuántico, estos procesos se vuelven extremadamente débiles o ocurren raramente, lo que dificulta aún más un cronometraje confiable. Dispositivos como sensores cuánticos y sistemas de navegación, que dependen de una sincronización precisa, requerirán relojes internos que consuman una pequeña cantidad de energía. Hasta ahora, el comportamiento termodinámico de estos sistemas seguía siendo en gran medida desconocido.
Investigar el consumo de energía real a lo largo del tiempo.
Los investigadores se propusieron determinar la verdadera carga termodinámica de mantener el tiempo en el estado cuántico y aislar cuánto de ese costo se debe a la función de medición.
Para explorar esto, construyeron un pequeño reloj que utiliza un solo electrón entre dos regiones a nanoescala (conocido como doble punto cuántico). Cada salto actúa como un tictac de reloj. Luego, el equipo monitoreó estas garrapatas utilizando dos técnicas diferentes; Uno mide corrientes eléctricas extremadamente pequeñas, mientras que el otro utiliza ondas de radio para detectar cambios sutiles en el sistema. En ambos métodos, el detector convierte eventos cuánticos (saltos de electrones) en información clásica que puede registrarse: una transición de lo cuántico a lo clásico.
Una medida de energía mil millones de veces es asombrosa
El equipo calculó la entropía (cantidad de electricidad) generada por el reloj (es decir, el doble punto cuántico) y el dispositivo de medición. Descubrieron que la energía necesaria para leer un reloj cuántico (es decir, convertir su pequeña señal en algo mensurable) puede ser mil millones de veces mayor que la energía utilizada por el reloj. Este resultado desafía la creencia arraigada de que los costos de medición son insignificantes en la física cuántica. También revela algo interesante: la observación introduce la inmutabilidad, lo que da al tiempo su dirección de avance.
Este hallazgo anula la expectativa habitual de que mejorar los relojes cuánticos requiere mejores materiales cuánticos. En cambio, los investigadores sostienen que el progreso futuro depende del diseño de métodos de medición que recopilen datos de manera más eficiente.
Repensar la eficiencia en el diseño de relojes cuánticos
La autora principal, la profesora Natalia Ares (Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford), dijo: “Se esperaba que los relojes cuánticos redujeran el consumo de energía del tiempo de funcionamiento en la escala más pequeña, pero nuestro nuevo experimento revela un giro sorprendente. En cambio, los tics cuánticos en un reloj cuántico son mucho más largos que las manecillas del reloj”.
Según los investigadores, este desequilibrio puede suponer en realidad una ventaja. La energía adicional utilizada durante la medición puede proporcionar información valiosa sobre el comportamiento del reloj, no solo contando tics sino capturando cada pequeña fluctuación. Esto puede hacer posible crear relojes de alta precisión que funcionen de manera más eficiente.
El coautor Vivek Wadhia (estudiante de doctorado, Departamento de Ciencias de la Ingeniería) dijo: “Nuestros resultados indican que la entropía producida por la amplificación y medición de los tictac del reloj, que a menudo se ha pasado por alto en la literatura, es el costo termodinámico más importante y fundamental, que es el siguiente paso en la comprensión de los principios de la escala cuántica en el cronometraje. Dispositivos para que podamos diseñar dispositivos autónomos que cuenten y mantengan el tiempo de manera mucho más eficiente que en la naturaleza”.
El coautor Florian Meier (estudiante de doctorado, Technische Universität Wien) dijo: “Más allá del reloj cuántico, la investigación aborda cuestiones profundas en física, incluido por qué el tiempo fluye en una dirección. Al mostrar que es el acto de medir, no solo el tictac, lo que le da al tiempo su dirección hacia adelante y la poderosa conexión de la ciencia, esta nueva ciencia energética encuentra una conexión poderosa”.
En el estudio también participaron investigadores de TU Wynn y Trinity College Dublin.
