Un nuevo estudio de la Universidad de Oxford revela una realidad contraintuitiva en el cronometraje cuántico: la energía requerida para medir un reloj cuántico supera con creces la energía necesaria para operarlo. Publicado en Physical Review Letters, este hallazgo desafía las suposiciones arraigadas sobre la eficiencia en los sistemas cuánticos y tiene implicaciones significativas para el diseño de futuras tecnologías cuánticas.
La paradoja de los relojes cuánticos
Los relojes tradicionales, ya sean de péndulo o atómicos, se basan en procesos irreversibles para marcar el tiempo. Sin embargo, a escala cuántica, estos procesos se vuelven débiles o casi inexistentes, lo que hace que medir el tiempo con precisión sea un desafío. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo formas de construir relojes cuánticos más eficientes, asumiendo que las mejoras en los sistemas cuánticos subyacentes producirían las mayores ganancias. Esta nueva investigación demuestra que el verdadero cuello de botella no reside en el reloj en sí, sino en el acto de observación.
Cómo la medición impulsa la disipación de energía
El equipo de Oxford construyó un reloj microscópico utilizando electrones individuales que saltan entre dos regiones a nanoescala (un doble punto cuántico). Cada salto representa un “tic”. Para detectar estas garrapatas, emplearon dos métodos: medir pequeñas corrientes eléctricas y usar ondas de radio para detectar cambios en el sistema. Ambos métodos convierten señales cuánticas en datos clásicos: una transición de lo cuántico a lo clásico.
Sus cálculos revelaron que la energía necesaria para leer un reloj cuántico es hasta mil millones de veces mayor que la energía consumida por el propio reloj. Esto anula la suposición de que los costos de medición en física cuántica pueden ignorarse. Resulta que el acto mismo de observación es lo que le da dirección al tiempo, haciéndolo irreversible.
Implicaciones para futuros dispositivos cuánticos
Este descubrimiento no significa que relojes más eficientes requieran mejores sistemas cuánticos. En cambio, la investigación debería priorizar métodos de medición más inteligentes y energéticamente más eficientes. Como explica la autora principal, la profesora Natalia Ares (Universidad de Oxford), “se esperaba que los relojes cuánticos en las escalas más pequeñas redujeran el costo energético del cronometraje, pero nuestro nuevo experimento revela un giro sorprendente. En los relojes cuánticos, los tics cuánticos superan con creces los del propio mecanismo de relojería”.
Sin embargo, el desequilibrio podría ser una característica, no un defecto. El exceso de energía procedente de la medición puede proporcionar información más detallada sobre el comportamiento del reloj, lo que podría permitir un cronometraje muy preciso. El coautor Vivek Wadhia (Universidad de Oxford) enfatiza que “la entropía producida por la amplificación y medición de los tictac de un reloj… es el costo termodinámico más importante y fundamental del cronometraje a escala cuántica”.
Más allá del cronometraje: una visión fundamental
Esta investigación aborda cuestiones más profundas de la física, incluida la flecha del tiempo. Al demostrar que la medición, y no sólo el tictac, impulsa el avance del tiempo, los hallazgos conectan la física de la energía con la ciencia de la información. El coautor Florian Meier (TU Wien) sugiere que el siguiente paso es comprender los principios que rigen la eficiencia en los dispositivos a nanoescala para que podamos diseñar dispositivos autónomos que calculen y mantengan el tiempo de manera más eficiente, como lo hace la naturaleza.
El estudio subraya una conclusión fundamental: en el ámbito cuántico, el acto de conocer altera fundamentalmente el sistema que se observa. Esta idea tiene implicaciones de largo alcance, que se extienden más allá del cronometraje a cualquier tecnología cuántica que dependa de mediciones precisas.
