Cientistas da Universidade de Oxford descobriram que ler um pequeno relógio quântico requer até um bilhão de vezes mais energia do que operar o próprio relógio. Essa descoberta, publicada em 14 de novembro na Physical Review Letters, destaca o custo termodinâmico significativo da medição no controle de tempo quântico. A pesquisa desafia suposições sobre eficiência energética em dispositivos quânticos e liga a observação à irreversibilidade do tempo.
Uma equipe liderada pela Universidade de Oxford construiu um relógio quântico miniatura usando elétrons individuais saltando entre duas regiões em nanoescala, conhecidas como um ponto quântico duplo. Cada salto de elétron atua como um tique do relógio, imitando o controle de tempo tradicional na escala quântica. Para monitorar esses tiques, os pesquisadores empregaram dois métodos: um detectando correntes elétricas minúsculas e o outro usando ondas de rádio para observar mudanças sutis no sistema. Essas técnicas convertem eventos quânticos em informações clássicas, registráveis.
Cálculos revelaram um desequilíbrio acentuado: a entropia gerada pelos dispositivos de medição — amplificando e lendo os sinais do relógio — pode ser até um bilhão de vezes maior do que a produzida pela operação própria do relógio. Esse processo de medição introduz irreversibilidade, que os pesquisadores identificam como o fator chave que dá ao tempo sua direção para frente. Anteriormente, tais custos de medição eram considerados insignificantes na física quântica.
A autora principal, Professora Natalia Ares, do Departamento de Ciência da Engenharia da Universidade de Oxford, afirmou: "Relógios quânticos funcionando nas escalas menores eram esperados para reduzir o custo energético do controle de tempo, mas nosso novo experimento revela uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, nos relógios quânticos, os tiques quânticos excedem em muito os do próprio mecanismo do relógio."
O coautor Vivek Wadhia, aluno de doutorado no mesmo departamento, acrescentou: "Nossos resultados sugerem que a entropia produzida pela amplificação e medição dos tiques de um relógio, que frequentemente foi ignorada na literatura, é o custo termodinâmico mais importante e fundamental do controle de tempo na escala quântica. O próximo passo é entender os princípios que regem a eficiência em dispositivos em nanoescala para que possamos projetar dispositivos autônomos que computem e mantenham o tempo de forma muito mais eficiente, como a natureza faz."
O coautor Florian Meier, aluno de doutorado na Technische Universität Wien, observou: "Além dos relógios quânticos, a pesquisa toca em questões profundas na física, incluindo por que o tempo flui em uma direção. Ao mostrar que é o ato de medir — não apenas o tique em si — que dá ao tempo sua direção para frente, essas novas descobertas traçam uma conexão poderosa entre a física da energia e a ciência da informação."
O estudo, envolvendo colaboradores da TU Wien e do Trinity College Dublin, sugere que designs de medição eficientes poderiam aprimorar sensores quânticos, sistemas de navegação e outras tecnologias dependentes do tempo. Ele muda o foco de melhorar componentes do relógio para otimizar a extração de informações.