Uma equipe liderada pela Universidade de Oxford descobriu um contribuinte inesperado para a entropia no tempo quântico: o próprio ato de medição. Resultados da pesquisa publicados em 14 de novembro Cartas de revisão físicaOs pesquisadores mostraram que a energia necessária para ler um relógio quântico é muito maior do que a energia necessária para operá-lo. Os seus resultados levantam novos desafios e oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas de próxima geração.
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, tornando o tempo confiável ainda mais complicado. Dispositivos que dependem de temporização precisa, como sensores quânticos e sistemas de navegação, exigirão relógios internos que economizam energia. Até agora, o comportamento termodinâmico destes sistemas permaneceu em grande parte desconhecido.
Investigue os custos reais de tempo de energia
Os pesquisadores decidiram determinar a verdadeira carga termodinâmica de manter o tempo no domínio quântico e distinguir quanto desse custo se deve ao ato de medição.
Para explorar isso, eles construíram um pequeno relógio que usa elétrons únicos saltando entre duas regiões em nanoescala, chamadas pontos quânticos duplos. Cada batida é como 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 ambos os métodos, os detectores convertem eventos quânticos (transições eletrônicas) em informações clássicas que podem ser registradas: uma transição quântica para clássica.
Uma surpresa bilionária em energia medida
A equipe calculou a entropia (energia dissipada) produzida pelo próprio relógio (ou seja, o ponto quântico duplo) e pelo dispositivo de medição. Eles descobriram que a energia necessária para ler um relógio quântico – isto é, converter o seu pequeno sinal num sinal mensurável – poderia ser mil milhões de vezes maior do que a energia utilizada pelo mecanismo de um 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.
A descoberta derruba as expectativas comuns de que melhorar os relógios quânticos requer melhores componentes quânticos. Em vez disso, os investigadores acreditam que o progresso futuro depende da concepção de medições que reúnam informações de forma mais eficiente.
Repensando a eficiência no design de relógio quântico
A autora principal, Natalia Ares, professora do Departamento de Ciências de Engenharia da Universidade de Oxford, disse: “Esperava-se que os relógios quânticos operando nas menores escalas reduzissem o custo energético da cronometragem, mas nossos novos experimentos revelam uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, nos relógios quânticos, os tiques quânticos superam em muito o tique-taque do próprio relógio.”
Os pesquisadores dizem que esse desequilíbrio pode, na verdade, proporcionar uma vantagem. A energia extra usada no processo de medição pode fornecer informações mais ricas sobre o comportamento do relógio, não apenas contando os tiques, mas também capturando cada pequena flutuação. Isso torna possível construir relógios de alta precisão que funcionam com mais eficiência.
O co-autor Vivek Wadhia, um estudante de doutorado no Departamento de Ciências de Engenharia, disse:”Nossos resultados mostram que a entropia gerada pela amplificação e medição dos tiques do relógio, muitas vezes esquecida na literatura, é o custo termodinâmico mais importante e fundamental da cronometragem em escala quântica. O próximo passo é compreender os princípios de controle de eficiência de dispositivos em nanoescala para que possamos projetar dispositivos autônomos que calculem e registrem o tempo com mais eficiência, como a natureza faz. “
O coautor Florian Meyer (estudante de doutorado na TU Viena) disse:”Além dos relógios quânticos, este estudo aborda questões profundas da física, incluindo por que o tempo flui em uma direção. Ao mostrar que o ato de medição, e não apenas os próprios tiques, determina a direção em que o tempo viaja, essas novas descobertas criam uma forte ligação entre a física da energia e a ciência da informação. “
O estudo também envolveu pesquisadores da Universidade Técnica de Viena e do Trinity College Dublin.
