Un nuovo studio dell’Università di Oxford rivela una realtà controintuitiva nella misurazione del tempo quantistico: l’energia richiesta per misurare un orologio quantistico supera di gran lunga l’energia necessaria per farlo funzionare. Pubblicata su Physical Review Letters, questa scoperta mette in discussione le ipotesi di lunga data sull’efficienza dei sistemi quantistici e ha implicazioni significative per la progettazione delle future tecnologie quantistiche.
Il paradosso degli orologi quantistici
Gli orologi tradizionali, siano essi a pendolo o atomici, si basano su processi irreversibili per segnare il tempo. Tuttavia, su scala quantistica, questi processi diventano deboli o quasi assenti, rendendo la misurazione precisa del tempo una sfida. I ricercatori hanno cercato a lungo modi per costruire orologi quantistici più efficienti, partendo dal presupposto che i miglioramenti nei sistemi quantistici sottostanti avrebbero prodotto i maggiori vantaggi. Questa nuova ricerca dimostra che il vero collo di bottiglia non risiede nell’orologio in sé, ma nell’atto di osservazione.
Come la misurazione determina la dissipazione dell’energia
Il team di Oxford ha costruito un orologio microscopico utilizzando singoli elettroni che saltano tra due regioni su scala nanometrica (un doppio punto quantico). Ogni salto rappresenta un “tick”. Per rilevare queste zecche, hanno utilizzato due metodi: misurare minuscole correnti elettriche e utilizzare le onde radio per rilevare i cambiamenti nel sistema. Entrambi i metodi convertono i segnali quantistici in dati classici: una transizione da quantistico a classico.
I loro calcoli hanno rivelato che l’energia richiesta per leggere un orologio quantistico è fino a un miliardo di volte maggiore dell’energia consumata dall’orologio stesso. Ciò ribalta il presupposto che i costi di misurazione nella fisica quantistica possano essere ignorati. L’atto stesso dell’osservazione, si scopre, è ciò che dà al tempo la sua direzione rendendolo irreversibile.
Implicazioni per i futuri dispositivi quantistici
Questa scoperta non significa che orologi più efficienti richiedano sistemi quantistici migliori. Invece, la ricerca dovrebbe dare la priorità a metodi di misurazione più intelligenti ed efficienti dal punto di vista energetico. Come spiega l’autrice principale, la professoressa Natalia Ares (Università di Oxford), “Ci si aspettava che gli orologi quantistici su scala più piccola avrebbero ridotto il costo energetico del cronometraggio, ma il nostro nuovo esperimento rivela una svolta sorprendente. Negli orologi quantistici, i ticchettii quantistici superano di gran lunga quelli del meccanismo dell’orologio stesso.”
Lo squilibrio, però, potrebbe essere una caratteristica, non un difetto. L’energia in eccesso derivante dalla misurazione può fornire informazioni più dettagliate sul comportamento dell’orologio, consentendo potenzialmente una misurazione del tempo estremamente precisa. Il coautore Vivek Wadhia (Università di Oxford) sottolinea che “l’entropia prodotta dall’amplificazione e dalla misurazione dei battiti di un orologio… è il costo termodinamico più importante e fondamentale del cronometraggio su scala quantistica”.
Oltre il cronometraggio: un’intuizione fondamentale
Questa ricerca tocca questioni più profonde della fisica, inclusa la freccia del tempo. Dimostrando che la misurazione, e non solo il ticchettio, guida la direzione in avanti del tempo, i risultati collegano la fisica dell’energia alla scienza dell’informazione. Il coautore Florian Meier (TU Wien) suggerisce che il passo successivo è comprendere i principi che governano l’efficienza nei dispositivi su scala nanometrica in modo da poter progettare dispositivi autonomi che calcolino e mantengano il tempo in modo più efficiente, come fa la natura.
Lo studio sottolinea una constatazione fondamentale: nel regno quantistico, l’atto di conoscere altera fondamentalmente il sistema osservato. Questa intuizione ha implicazioni di vasta portata, che si estendono oltre la misurazione del tempo e si estendono a qualsiasi tecnologia quantistica basata su misurazioni precise.
