Un reloj cuántico diminuto revela un misterio energético de mil millones de veces

Un equipo de científicos de la Universidad de Oxford realizó un descubrimiento sorprendente sobre el costo energético de la medición en la cronometraje cuántico. En un estudio publicado el 14 de noviembre en Physical Review Letters, los investigadores demostraron que la energía requerida para leer un reloj cuántico es significativamente mayor que la energía que utiliza para funcionar. Este hallazgo podría tener implicaciones importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas de próxima generación.

Los relojes tradicionales, desde los de péndulo hasta los osciladores atómicos, dependen de procesos irreversibles para medir el tiempo. Sin embargo, a nivel cuántico, estos procesos son extremadamente débiles o pueden no ocurrir en absoluto, lo que complica la cronometraje precisa. Dispositivos como sensores cuánticos y sistemas de navegación, que dependen de un tiempo preciso, necesitarán relojes internos que utilicen energía de manera eficiente. Hasta ahora, el comportamiento termodinámico de estos sistemas había permanecido en gran medida desconocido.

Investigando el verdadero costo energético del tiempo

Los investigadores se propusieron determinar la verdadera carga termodinámica de mantener el tiempo en el ámbito cuántico y separar cuánto de ese costo es causado por el acto de medición. Para ello, construyeron un reloj diminuto que utiliza electrones individuales saltando entre dos regiones a nanoescala, conocidas como un doble punto cuántico. Cada salto sirve como un tic del reloj. El equipo monitoreó estos tics utilizando dos técnicas diferentes; una midió corrientes eléctricas extremadamente pequeñas, mientras que la otra utilizó ondas de radio para detectar cambios sutiles en el sistema. En ambos enfoques, los detectores convierten eventos cuánticos (saltos de electrones) en información clásica que puede ser registrada: una transición de cuántico a clásico.

Una sorprendente energía de medición de mil millones de veces

El equipo calculó la entropía (cantidad de energía disipada) generada tanto por el reloj mismo (es decir, el doble punto cuántico) como por los dispositivos de medición. Descubrieron que la energía necesaria para leer el reloj cuántico (es decir, convertir sus señales diminutas en algo medible) puede ser hasta mil millones de veces mayor que la energía utilizada por el mecanismo del reloj. Este resultado desafía la creencia sostenida de que los costos de medición en la física cuántica son insignificantes. También revela algo sorprendente: la observación introduce irreversibilidad, que es lo que da dirección al tiempo.

Este hallazgo contradice la expectativa habitual de que mejorar los relojes cuánticos requiere mejores componentes cuánticos. En cambio, los investigadores argumentan que el progreso futuro dependerá del diseño de métodos de medición que recojan información de manera más eficiente.

Repensando la eficiencia en el diseño de relojes cuánticos

La autora principal, la profesora Natalia Ares (Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford), comentó: "Se esperaba que los relojes cuánticos que funcionan a las escalas más pequeñas redujeran el costo energético de la cronometraje, pero nuestro nuevo experimento revela un giro sorprendente. En los relojes cuánticos, los tics cuánticos superan con creces el funcionamiento del reloj en sí".

Según los investigadores, este desequilibrio podría ofrecer una ventaja. La energía adicional utilizada durante la medición puede proporcionar información más rica sobre el comportamiento del reloj, no solo contando tics, sino capturando cada pequeña fluctuación. Esto podría permitir la construcción de relojes altamente precisos que operen de manera más eficiente.

El coautor Vivek Wadhia (estudiante de doctorado, Departamento de Ciencias de la Ingeniería) afirmó: "Nuestros resultados sugieren que la entropía producida por la amplificación y medición de los tics de un reloj, que a menudo ha sido ignorada en la literatura, es el costo termodinámico más importante y fundamental de la cronometraje 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 computen y mantengan el tiempo de manera mucho más eficiente, como lo hace la naturaleza".

El coautor Florian Meier (estudiante de doctorado, Technische Universität Wien) agregó: "Más allá de los relojes cuánticos, la investigación aborda preguntas profundas en física, incluyendo por qué el tiempo fluye en una dirección. Al demostrar que es el acto de medir, y no solo el tic en sí, lo que da dirección al tiempo, estos nuevos hallazgos establecen una poderosa conexión entre la física de la energía y la ciencia de la información".

El estudio también involucró a investigadores de TU Wien y Trinity College Dublin.