Een nieuwe studie van de Universiteit van Oxford onthult een contra-intuïtieve realiteit in kwantumtijdwaarneming: de energie die nodig is om een kwantumklok te meten overtreft ruimschoots de energie die nodig is om hem te laten werken. Deze bevinding, gepubliceerd in Physical Review Letters, daagt lang gekoesterde aannames over efficiëntie in kwantumsystemen uit en heeft aanzienlijke implicaties voor het ontwerp van toekomstige kwantumtechnologieën.
De paradox van kwantumklokken
Traditionele klokken, of ze nu op een slinger gebaseerd of atomair zijn, vertrouwen op onomkeerbare processen om de tijd te markeren. Op kwantumschaal worden deze processen echter zwak of vrijwel afwezig, waardoor het nauwkeurig bijhouden van de tijd een uitdaging wordt. Onderzoekers hebben lang gezocht naar manieren om efficiëntere kwantumklokken te bouwen, ervan uitgaande dat verbeteringen in de onderliggende kwantumsystemen de grootste winst zouden opleveren. Dit nieuwe onderzoek toont aan dat het echte knelpunt niet in de klok zelf ligt, maar in de waarneming.
Hoe metingen energiedissipatie stimuleren
Het team uit Oxford heeft een microscopische klok geconstrueerd met behulp van afzonderlijke elektronen die tussen twee gebieden op nanoschaal springen (een dubbele kwantumdot). Elke sprong vertegenwoordigt een ‘tik’. Om deze teken te detecteren, gebruikten ze twee methoden: het meten van kleine elektrische stroompjes en het gebruiken van radiogolven om veranderingen in het systeem waar te nemen. Beide methoden zetten kwantumsignalen om in klassieke gegevens: een overgang van kwantum naar klassiek.
Uit hun berekeningen bleek dat de energie die nodig is om een kwantumklok af te lezen tot een miljard keer groter is dan de energie die door de klok zelf wordt verbruikt. Dit ontkracht de veronderstelling dat meetkosten in de kwantumfysica genegeerd kunnen worden. Het observeren, zo blijkt, is wat de tijd richting geeft door deze onomkeerbaar te maken.
Implicaties voor toekomstige kwantumapparaten
Deze ontdekking betekent niet dat efficiëntere klokken betere kwantumsystemen vereisen. In plaats daarvan zou onderzoek prioriteit moeten geven aan slimmere, energie-efficiëntere meetmethoden. Zoals hoofdauteur professor Natalia Ares (Universiteit van Oxford) uitlegt: “Er werd verwacht dat kwantumklokken op de kleinste schaal de energiekosten van tijdwaarneming zouden verlagen, maar ons nieuwe experiment onthult een verrassende wending. Bij kwantumklokken overtreffen de kwantumtikken die van het uurwerk zelf ruimschoots.”
De onevenwichtigheid kan echter een kenmerk zijn en geen fout. De overtollige energie die vrijkomt bij het meten kan meer gedetailleerde informatie opleveren over het gedrag van de klok, waardoor een zeer nauwkeurige tijdwaarneming mogelijk wordt. Co-auteur Vivek Wadhia (Universiteit van Oxford) benadrukt dat “de entropie die wordt geproduceerd door de versterking en meting van de tikken van een klok… de belangrijkste en fundamentele thermodynamische kosten is van tijdwaarneming op kwantumschaal.”
Beyond Timekeeping: een fundamenteel inzicht
Dit onderzoek raakt diepere vragen in de natuurkunde, waaronder de pijl van de tijd. Door aan te tonen dat meting, en niet alleen maar tikken, de tijd vooruit stuurt, verbinden de bevindingen de fysica van energie met de wetenschap van informatie. Co-auteur Florian Meier (TU Wien) suggereert dat de volgende stap het begrijpen van de principes is die de efficiëntie van apparaten op nanoschaal bepalen, zodat we autonome apparaten kunnen ontwerpen die de tijd efficiënter berekenen en bijhouden, zoals de natuur dat doet.
De studie onderstreept een cruciaal besef: in de kwantumwereld verandert de handeling van het weten het systeem dat wordt waargenomen fundamenteel. Dit inzicht heeft verreikende implicaties, die verder reiken dan tijdregistratie en betrekking hebben op elke kwantumtechnologie die afhankelijk is van nauwkeurige metingen
