Para ilmuwan di Universitas Oxford menemukan bahwa membaca jam kuantum kecil memerlukan hingga miliaran kali lebih banyak energi daripada mengoperasikan jam itu sendiri. Temuan ini, yang diterbitkan pada 14 November di Physical Review Letters, menyoroti biaya termodinamika yang signifikan dari pengukuran dalam penjaga waktu kuantum. Penelitian ini menantang asumsi tentang efisiensi energi dalam perangkat kuantum dan menghubungkan pengamatan dengan irreversibilitas waktu.
Sebuah tim yang dipimpin oleh Universitas Oxford membangun jam kuantum mini menggunakan elektron tunggal yang melompat antara dua wilayah nano, yang dikenal sebagai titik kuantum ganda. Setiap lompatan elektron bertindak sebagai tik jam, meniru penjaga waktu tradisional pada skala kuantum. Untuk memantau tik-tik ini, para peneliti menggunakan dua metode: satu mendeteksi arus listrik kecil dan yang lain menggunakan gelombang radio untuk mengamati perubahan sistem yang halus. Teknik-teknik ini mengonversi peristiwa kuantum menjadi informasi klasik yang dapat direkam.
Perhitungan mengungkap ketidakseimbangan yang mencolok: entropi yang dihasilkan oleh perangkat pengukuran—memperkuat dan membaca sinyal jam—bisa mencapai miliaran kali lebih besar daripada yang dihasilkan oleh operasi jam itu sendiri. Proses pengukuran ini memperkenalkan irreversibilitas, yang diidentifikasi oleh para peneliti sebagai faktor kunci yang memberikan arah maju pada waktu. Sebelumnya, biaya pengukuran seperti itu dianggap tidak signifikan dalam fisika kuantum.
Penulis utama Profesor Natalia Ares dari Departemen Ilmu Teknik Universitas Oxford menyatakan: "Jam kuantum yang berjalan pada skala terkecil diharapkan dapat menurunkan biaya energi penjaga waktu, tetapi eksperimen baru kami mengungkap kejutan yang mengejutkan. Sebaliknya, dalam jam kuantum, tik kuantum jauh melebihi itu dari mekanisme jam itu sendiri."
Penulis bersama Vivek Wadhia, mahasiswa PhD di departemen yang sama, menambahkan: "Hasil kami menunjukkan bahwa entropi yang dihasilkan oleh amplifikasi dan pengukuran tik jam, yang sering diabaikan dalam literatur, adalah biaya termodinamika paling penting dan mendasar dari penjaga waktu pada skala kuantum. Langkah selanjutnya adalah memahami prinsip-prinsip yang mengatur efisiensi dalam perangkat nanoskala sehingga kita dapat merancang perangkat otonom yang menghitung dan menjaga waktu jauh lebih efisien, seperti yang dilakukan alam."
Penulis bersama Florian Meier, mahasiswa PhD di Technische Universität Wien, mencatat: "Di luar jam kuantum, penelitian ini menyentuh pertanyaan mendalam dalam fisika, termasuk mengapa waktu mengalir ke satu arah. Dengan menunjukkan bahwa tindakan pengukuran—bukan hanya tik itu sendiri—yang memberikan arah maju pada waktu, temuan baru ini menarik hubungan kuat antara fisika energi dan ilmu informasi."
Studi ini, yang melibatkan kolaborator dari TU Wien dan Trinity College Dublin, menunjukkan bahwa desain pengukuran yang efisien dapat meningkatkan sensor kuantum, sistem navigasi, dan teknologi lain yang bergantung pada waktu. Ini mengalihkan fokus dari perbaikan komponen jam ke optimalisasi ekstraksi informasi.