Um novo estudo da Universidade de Oxford revela uma realidade contra-intuitiva na cronometragem quântica: a energia necessária para medir um relógio quântico ultrapassa em muito a energia necessária para operá-lo. Publicada em Physical Review Letters, esta descoberta desafia suposições de longa data sobre a eficiência em sistemas quânticos e tem implicações significativas para a concepção de futuras tecnologias quânticas.
O paradoxo dos relógios quânticos
Os relógios tradicionais, sejam eles de pêndulo ou atômicos, dependem de processos irreversíveis para marcar o tempo. No entanto, à escala quântica, estes processos tornam-se fracos ou quase ausentes, tornando a cronometragem precisa um desafio. Os investigadores há muito que procuram formas de construir relógios quânticos mais eficientes, assumindo que melhorias nos sistemas quânticos subjacentes produziriam os maiores ganhos. Esta nova pesquisa demonstra que o verdadeiro gargalo não está no relógio em si, mas no ato de observação.
Como a medição impulsiona a dissipação de energia
A equipe de Oxford construiu um relógio microscópico usando elétrons únicos saltando entre duas regiões em nanoescala (um ponto quântico duplo). Cada salto representa um “tique”. Para detectar esses carrapatos, eles empregaram dois métodos: medindo pequenas correntes elétricas e usando ondas de rádio para detectar mudanças no sistema. Ambos os métodos convertem sinais quânticos em dados clássicos – uma transição quântica para clássica.
Os seus cálculos revelaram que a energia necessária para ler um relógio quântico é até mil milhões de vezes superior à energia consumida pelo próprio relógio. Isto anula a suposição de que os custos de medição na física quântica podem ser ignorados. O próprio ato de observação, ao que parece, é o que dá direção ao tempo, tornando-o irreversível.
Implicações para futuros dispositivos quânticos
Esta descoberta não significa que relógios mais eficientes exijam sistemas quânticos melhores. Em vez disso, a investigação deve dar prioridade a métodos de medição mais inteligentes e energeticamente mais eficientes. Como explica a autora principal, Professora Natalia Ares (Universidade de Oxford), “Esperava-se que os relógios quânticos nas escalas mais pequenas reduzissem o custo energético da cronometragem, mas a nossa nova experiência revela uma reviravolta surpreendente. Nos relógios quânticos, os tiques quânticos excedem em muito os do próprio relógio.”
O desequilíbrio, contudo, pode ser uma característica e não uma falha. O excesso de energia da medição pode fornecer informações mais detalhadas sobre o comportamento do relógio, permitindo potencialmente uma cronometragem altamente precisa. O coautor Vivek Wadhia (Universidade de Oxford) enfatiza que “a entropia produzida pela amplificação e medição dos tique-taques de um relógio… é o custo termodinâmico mais importante e fundamental da cronometragem na escala quântica”.
Além da cronometragem: uma visão fundamental
Esta pesquisa aborda questões mais profundas da física, incluindo a flecha do tempo. Ao demonstrar que a medição, e não apenas o tique-taque, impulsiona o avanço do tempo, as descobertas ligam a física da energia à ciência da informação. O coautor Florian Meier (TU Wien) sugere que o próximo passo é compreender os princípios que regem a eficiência em dispositivos em nanoescala para que possamos projetar dispositivos autônomos que calculem e registrem o tempo de forma mais eficiente, como a natureza faz.
O estudo ressalta uma constatação crítica: no reino quântico, o ato de conhecer altera fundamentalmente o sistema que está sendo observado. Esse insight tem implicações de longo alcance, estendendo-se além da cronometragem para qualquer tecnologia quântica dependente de medição precisa.
