Uma equipe liderada pela Universidade de Oxford descobriu um contribuinte inesperado para a entropia na cronometragem quântica: a própria medição. Nas conclusões publicadas em 14 de novembro Carta de revisão físicaOs pesquisadores mostram que a energia necessária para ler um relógio quântico é muito maior do que a energia necessária para operá-lo. Os seus resultados apontam para novos desafios e oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas de próxima geração.
Os relógios tradicionais, desde pêndulos até osciladores nucleares, dependem de mecanismos invariantes para controlar o tempo. No nível quântico, esses processos tornam-se extremamente fracos ou ocorrem raramente, dificultando ainda mais a cronometragem confiável. Dispositivos como sensores quânticos e sistemas de navegação, que dependem de temporização precisa, exigirão relógios internos que consomem uma pequena quantidade de energia. Até agora, o comportamento termodinâmico destes sistemas permaneceu em grande parte desconhecido.
Investigue o consumo real de energia ao longo do tempo
Os pesquisadores decidiram determinar a verdadeira carga termodinâmica de manter o tempo no estado quântico e isolar quanto desse custo se deve à função de medição.
Para explorar isso, eles construíram um pequeno relógio que usa um único elétron entre duas regiões em nanoescala (conhecidas como ponto quântico duplo). Cada salto funciona como um tique-taque do relógio. A equipe então monitorou esses carrapatos usando duas técnicas diferentes; Um mede correntes elétricas extremamente pequenas, enquanto o outro usa ondas de rádio para detectar mudanças sutis no sistema. Em ambos os métodos, o detector converte eventos quânticos (saltos de elétrons) em informações clássicas que podem ser registradas: uma transição quântica para clássica.
Uma medição de energia de um bilhão de vezes é incrível
A equipe calculou a entropia (quantidade de eletricidade) gerada pelo relógio (ou seja, o ponto quântico duplo) e pelo dispositivo de medição. Eles descobriram que a energia necessária para ler um relógio quântico (ou seja, para converter seu minúsculo sinal em algo mensurável) pode ser um bilhão de vezes maior do que a energia utilizada pelo relógio. Este resultado desafia a crença de longa data de que os custos de medição são insignificantes na física quântica. Também revela algo interessante: a observação introduz a imutabilidade, o que dá ao tempo a sua direção futura.
Esta descoberta anula a expectativa habitual de que melhorar os relógios quânticos requer melhores materiais quânticos. Em vez disso, os investigadores argumentam que o progresso futuro depende da concepção de métodos de medição que recolham dados de forma mais eficiente.
Repensando a eficiência no design de relógio quântico
A autora principal, Professora Natalia Ares (Departamento de Ciências da Engenharia, Universidade de Oxford), disse:”Esperava-se que os relógios quânticos reduzissem o consumo de energia do tempo de execução na menor escala, mas nosso novo experimento revela uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, os tiques quânticos em um relógio quântico são muito mais longos do que os ponteiros do relógio. “
Segundo os pesquisadores, esse desequilíbrio pode, na verdade, trazer uma vantagem. A energia extra usada durante a medição pode fornecer informações valiosas sobre o comportamento do relógio, não apenas contando os tiques, mas capturando cada pequena flutuação. Isso pode possibilitar a criação de relógios altamente precisos que funcionam com mais eficiência.
O co-autor Vivek Wadhia (estudante de doutorado, Departamento de Ciências de Engenharia) disse:”Nossos resultados indicam que a entropia produzida pela amplificação e medição dos tiques do relógio, que tem sido frequentemente negligenciada na literatura, é o custo termodinâmico mais importante e fundamental que é o próximo passo na compreensão dos princípios da escala quântica na cronometragem. Dispositivos para que possamos projetar dispositivos autônomos que contam e mantêm o tempo com muito mais eficiência do que na natureza. “
O co-autor Florian Meier (estudante de doutorado, Technische Universität Wien) disse: “Além do relógio quântico, a pesquisa aborda questões profundas da física, incluindo por que o tempo flui em uma direção. Ao mostrar que é o ato de medir – e não apenas o tique-taque – que dá ao tempo sua direção para frente e a poderosa conexão da ciência, esta nova ciência da energia encontra uma conexão poderosa.”
O estudo também envolveu pesquisadores da TU Wynn e do Trinity College Dublin.
