Científicos de la Universidad de Oxford han descubierto que leer un diminuto reloj cuántico requiere hasta mil millones de veces más energía que operar el reloj en sí. Este hallazgo, publicado el 14 de noviembre en Physical Review Letters, resalta el significativo costo termodinámico de la medición en la medición del tiempo cuántico. La investigación desafía suposiciones sobre la eficiencia energética en dispositivos cuánticos y vincula la observación con la irreversibilidad del tiempo.
Un equipo liderado por la Universidad de Oxford construyó un reloj cuántico miniatura utilizando electrones individuales que saltan entre dos regiones a nanoescala, conocidas como un punto cuántico doble. Cada salto de electrón actúa como una marca de reloj, imitando la medición del tiempo tradicional a escala cuántica. Para monitorear estas marcas, los investigadores emplearon dos métodos: uno detectando corrientes eléctricas diminutas y el otro usando ondas de radio para observar cambios sutiles en el sistema. Estas técnicas convierten eventos cuánticos en información clásica, registrable.
Los cálculos revelaron un desequilibrio marcado: la entropía generada por los dispositivos de medición —amplificando y leyendo las señales del reloj— puede ser hasta mil millones de veces mayor que la producida por la operación propia del reloj. Este proceso de medición introduce irreversibilidad, que los investigadores identifican como el factor clave que da al tiempo su dirección hacia adelante. Previamente, tales costos de medición se consideraban insignificantes en la física cuántica.
La autora principal, la profesora Natalia Ares del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Oxford, declaró: «Se esperaba que los relojes cuánticos que funcionan a las escalas más pequeñas redujeran el costo energético de la medición del tiempo, pero nuestro nuevo experimento revela un giro sorprendente. En cambio, en los relojes cuánticos, las marcas cuánticas superan con creces las del propio mecanismo del reloj».
El coautor Vivek Wadhia, estudiante de doctorado en el mismo departamento, añadió: «Nuestros resultados sugieren que la entropía producida por la amplificación y medición de las marcas de un reloj, que a menudo se ha ignorado en la literatura, es el costo termodinámico más importante y fundamental de la medición del tiempo a escala cuántica. El siguiente paso es entender los principios que rigen la eficiencia en dispositivos a nanoescala para que podamos diseñar dispositivos autónomos que calculen y midan el tiempo de manera mucho más eficiente, como lo hace la naturaleza».
El coautor Florian Meier, estudiante de doctorado en la Technische Universität Wien, señaló: «Más allá de los relojes cuánticos, la investigación toca preguntas profundas en la física, incluyendo por qué el tiempo fluye en una dirección. Al mostrar que es el acto de medir —no solo el tictac en sí— lo que da al tiempo su dirección hacia adelante, estos nuevos hallazgos trazan una conexión poderosa entre la física de la energía y la ciencia de la información».
El estudio, que involucra colaboradores de la TU Wien y el Trinity College Dublin, sugiere que diseños de medición eficientes podrían mejorar sensores cuánticos, sistemas de navegación y otras tecnologías dependientes del tiempo. Cambia el enfoque de mejorar componentes de relojes a optimizar la extracción de información.