Une nouvelle étude de l’Université d’Oxford révèle une réalité contre-intuitive en matière de chronométrage quantique : l’énergie requise pour mesurer une horloge quantique dépasse de loin l’énergie nécessaire pour la faire fonctionner. Publiée dans Physical Review Letters, cette découverte remet en question les hypothèses de longue date sur l’efficacité des systèmes quantiques et a des implications significatives pour la conception des futures technologies quantiques.
Le paradoxe des horloges quantiques
Les horloges traditionnelles, qu’elles soient à pendule ou atomiques, s’appuient sur des processus irréversibles pour marquer le temps. Cependant, à l’échelle quantique, ces processus deviennent faibles ou presque inexistants, ce qui rend difficile la mesure précise du temps. Les chercheurs cherchent depuis longtemps des moyens de construire des horloges quantiques plus efficaces, en supposant que les améliorations des systèmes quantiques sous-jacents produiraient les gains les plus importants. Cette nouvelle recherche démontre que le véritable goulot d’étranglement ne réside pas dans l’horloge elle-même, mais dans l’acte d’observation.
Comment la mesure entraîne la dissipation de l’énergie
L’équipe d’Oxford a construit une horloge microscopique utilisant des électrons simples sautant entre deux régions nanométriques (un double point quantique). Chaque saut représente un « tick ». Pour détecter ces tiques, ils ont utilisé deux méthodes : mesurer de minuscules courants électriques et utiliser des ondes radio pour détecter les changements dans le système. Les deux méthodes convertissent les signaux quantiques en données classiques – une transition du quantique au classique.
Leurs calculs ont révélé que l’énergie nécessaire pour lire une horloge quantique est jusqu’à un milliard de fois supérieure à l’énergie consommée par l’horloge elle-même. Cela renverse l’hypothèse selon laquelle les coûts de mesure en physique quantique peuvent être ignorés. Il s’avère que c’est l’acte même d’observer qui donne au temps sa direction en le rendant irréversible.
Implications pour les futurs appareils quantiques
Cette découverte ne signifie pas que des horloges plus efficaces nécessitent de meilleurs systèmes quantiques. Au lieu de cela, la recherche devrait donner la priorité à des méthodes de mesure plus intelligentes et plus économes en énergie. Comme l’explique l’auteur principal, le professeur Natalia Ares (Université d’Oxford), “les horloges quantiques aux plus petites échelles étaient censées réduire le coût énergétique du chronométrage, mais notre nouvelle expérience révèle une tournure surprenante. Dans les horloges quantiques, les tics quantiques dépassent de loin ceux du mécanisme d’horlogerie lui-même. ”
Le déséquilibre pourrait cependant être une caractéristique et non un défaut. L’énergie excédentaire issue des mesures peut fournir des informations plus détaillées sur le comportement de l’horloge, permettant potentiellement un chronométrage très précis. Le co-auteur Vivek Wadhia (Université d’Oxford) souligne que « l’entropie produite par l’amplification et la mesure des tics d’une horloge… est le coût thermodynamique le plus important et fondamental du chronométrage à l’échelle quantique ».
Au-delà de la chronométrage : un aperçu fondamental
Cette recherche touche à des questions plus profondes en physique, notamment la flèche du temps. En démontrant que la mesure, et pas seulement le tic-tac, fait avancer le temps, les résultats relient la physique de l’énergie à la science de l’information. Le co-auteur Florian Meier (TU Wien) suggère que la prochaine étape consiste à comprendre les principes régissant l’efficacité des dispositifs à l’échelle nanométrique afin que nous puissions concevoir des dispositifs autonomes qui calculent et conservent le temps plus efficacement, comme le fait la nature.
L’étude souligne une constatation cruciale : dans le domaine quantique, l’acte de connaître modifie fondamentalement le système observé. Cette idée a des implications considérables, s’étendant au-delà de la chronométrage à toute technologie quantique reposant sur des mesures précises.
