A energia necessária para ler um relógio quântico é muito maior do que a energia necessária para o fazer funcionar
Uma equipa liderada pela Universidade de Oxford descobriu um fator inesperado que contribui para a entropia na cronometragem quântica: o próprio ato de medição.
Numa nova descoberta, os investigadores mostram que a energia necessária para ler um relógio quântico é muito maior do que a energia necessária para o fazer funcionar. Os seus resultados apontam para novos desafios e oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias quânticas da próxima geração.
Os relógios tradicionais, desde os pêndulos aos osciladores atómicos, dependem de processos irreversíveis para marcar o tempo. A nível quântico, estes processos tornam-se extremamente fracos ou podem quase não ocorrer, o que torna a cronometragem fiável muito mais complicada. Dispositivos como sensores quânticos e sistemas de navegação, que dependem de uma temporização precisa, necessitarão de relógios internos que utilizem a energia com parcimónia. Até agora, o comportamento termodinâmico destes sistemas permaneceu em grande parte desconhecido.
O custo energético real do tempo
Os investigadores propuseram-se a determinar o verdadeiro custo termodinâmico de manter o tempo no reino quântico e a separar quanto desse custo é causado pelo ato de medição. Para explorar isto, construíram um minúsculo relógio que utiliza eletrões individuais a saltar entre duas regiões à nanoescala (conhecidas como ponto quântico duplo). Cada salto serve como um tiquetaque de relógio.
A equipa monitorizou então esses tiques usando duas técnicas diferentes; uma mediu correntes elétricas extremamente pequenas, enquanto a outra utilizou ondas de rádio para detetar alterações subtis no sistema. Em ambas as abordagens, os detetores convertem eventos quânticos (saltos de eletrões) em informação clássica que pode ser registada: uma transição quântica-clássica.
Uma surpresa bilionésima na energia de medição
A equipa calculou a entropia (quantidade de energia dissipada) gerada tanto pelo próprio relógio (ou seja, o ponto quântico duplo) como pelos dispositivos de medição. Descobriram que a energia necessária para ler o relógio quântico (ou seja, para converter os seus minúsculos sinais em algo mensurável) pode ser até mil milhões de vezes superior à energia utilizada pelo mecanismo do relógio. Este resultado desafia a crença antiga de que os custos de medição na física quântica são insignificantes. Revela também algo surpreendente: a observação introduz irreversibilidade, que é o que dá ao tempo a sua direção progressiva.
Esta descoberta deita por terra a expectativa habitual de que melhorar os relógios quânticos exige melhores componentes quânticos. Em vez disso, os investigadores defendem que o progresso futuro depende do desenvolvimento de métodos de medição que recolham informação de forma mais eficiente.
A eficiência no design de relógios quânticos
A autora principal, Professora Natalia Ares (Departamento de Engenharia, Universidade de Oxford), afirmou: "Esperava-se que os relógios quânticos que operam em escalas minúsculas reduzissem o custo energético da medição do tempo, mas a nossa nova experiência revela uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, nos relógios quânticos, os tiques quânticos excedem em muito os do próprio mecanismo do relógio."
De acordo com os investigadores, este desequilíbrio pode, na verdade, oferecer uma vantagem. A energia adicional utilizada durante a medição pode fornecer informações mais ricas sobre o comportamento do relógio, não só contando os tiques, mas captando cada pequena flutuação. Isto poderá possibilitar a construção de relógios de alta precisão que operam com maior eficiência.
Referência da notícia
Vivek Wadhia, Florian Meier, Federico Fedele et al. Entropic Costs of Extracting Classical Ticks from a Quantum Clock. Physical Review Letters (2025).