Des scientifiques de l'Université d'Oxford ont découvert que lire une petite horloge quantique nécessite jusqu'à un milliard de fois plus d'énergie que faire fonctionner l'horloge elle-même. Cette découverte, publiée le 14 novembre dans Physical Review Letters, met en lumière le coût thermodynamique significatif de la mesure dans la mesure du temps quantique. La recherche remet en question les hypothèses sur l'efficacité énergétique des dispositifs quantiques et relie l'observation à l'irréversibilité du temps.
Une équipe dirigée par l'Université d'Oxford a construit une minuscule horloge quantique en utilisant des électrons individuels sautant entre deux régions à l'échelle nanométrique, connues sous le nom de point quantique double. Chaque saut d'électron agit comme un tic d'horloge, imitant la mesure du temps traditionnelle à l'échelle quantique. Pour surveiller ces tics, les chercheurs ont employé deux méthodes : l'une détectant de faibles courants électriques et l'autre utilisant des ondes radio pour observer des changements subtils dans le système. Ces techniques convertissent des événements quantiques en informations classiques, enregistrables.
Les calculs ont révélé un déséquilibre marqué : l'entropie générée par les dispositifs de mesure — amplifiant et lisant les signaux de l'horloge — peut être jusqu'à un milliard de fois supérieure à celle produite par le fonctionnement propre de l'horloge. Ce processus de mesure introduit l'irréversibilité, que les chercheurs identifient comme le facteur clé conférant au temps sa direction avant. Auparavant, de tels coûts de mesure étaient considérés comme négligeables en physique quantique.
L'auteure principale, la professeure Natalia Ares du Département de sciences de l'ingénierie de l'Université d'Oxford, a déclaré : « Les horloges quantiques fonctionnant aux échelles les plus petites étaient censées réduire le coût énergétique de la mesure du temps, mais notre nouvelle expérience révèle un revirement surprenant. Au lieu de cela, dans les horloges quantiques, les tics quantiques dépassent de loin ceux du mécanisme de l'horloge elle-même. »
Le co-auteur Vivek Wadhia, doctorant dans le même département, a ajouté : « Nos résultats suggèrent que l'entropie produite par l'amplification et la mesure des tics d'une horloge, qui a souvent été ignorée dans la littérature, est le coût thermodynamique le plus important et fondamental de la mesure du temps à l'échelle quantique. La prochaine étape est de comprendre les principes régissant l'efficacité dans les dispositifs nanométriques afin que nous puissions concevoir des dispositifs autonomes qui calculent et mesurent le temps de manière beaucoup plus efficace, comme le fait la nature. »
Le co-auteur Florian Meier, doctorant à la Technische Universität Wien, a noté : « Au-delà des horloges quantiques, la recherche aborde des questions profondes en physique, y compris pourquoi le temps s'écoule dans une seule direction. En montrant que c'est l'acte de mesurer — et non seulement le tic lui-même — qui donne au temps sa direction avant, ces nouvelles découvertes établissent une connexion puissante entre la physique de l'énergie et la science de l'information. »
L'étude, impliquant des collaborateurs de la TU Wien et du Trinity College Dublin, suggère que des conceptions de mesure efficaces pourraient améliorer les capteurs quantiques, les systèmes de navigation et d'autres technologies dépendantes du temps. Elle déplace l'accent de l'amélioration des composants de l'horloge vers l'optimisation de l'extraction d'informations.