Relógios tradicionais, desde pêndulos até os osciladores atômicos, dependem de processos irreversíveis para rastrear o tempo. No nível quântico, esses processos tornam-se extremamente fracos ou podem mal ocorrer, o que torna a medição do tempo muito mais complicada. Dispositivos como sensores quânticos e sistemas de navegação, que dependem de cronometragem precisa, precisarão de relógios internos que utilizem energia de forma econômica. Até agora, o comportamento termodinâmico desses sistemas permaneceu em grande parte desconhecido.

Investigando o Custo Real de Energia do Tempo

Os pesquisadores se propuseram a determinar o verdadeiro ônus termodinâmico de manter o tempo no reino quântico e a separar quanto desse custo é causado pelo ato de medição.

Para explorar isso, eles construíram um pequeno relógio que usa elétrons únicos saltando entre duas regiões em escala nanométrica (conhecidas como ponto quântico duplo). Cada salto serve como uma batida de relógio. A equipe então monitorou essas batidas usando duas técnicas diferentes; uma media correntes elétricas extremamente pequenas, enquanto a outra utilizava ondas de rádio para detectar mudanças sutis no sistema. Em ambas as abordagens, os detectores convertem eventos quânticos (saltos de elétrons) em informações clássicas que podem ser registradas: uma transição de quântico para clássico.

Uma Surpresa de Energia de Medição Bilionária

A equipe calculou a entropia (a quantidade de energia dissipada) gerada tanto pelo próprio relógio (ou seja, o ponto quântico duplo) quanto pelos dispositivos de medição. Eles descobriram que a energia necessária para ler o relógio quântico (ou seja, para converter seus pequenos sinais em algo mensurável) pode ser até um bilhão de vezes maior do que a energia utilizada pelo próprio mecanismo do relógio. Esse resultado desafia a crença há muito mantida de que os custos de medição na física quântica são negligenciáveis. Também revela algo surpreendente: a observação introduz irreversibilidade, o que confere ao tempo sua direção para a frente.

Essa descoberta derruba a expectativa usual de que melhorar relógios quânticos requer componentes quânticos melhores. Em vez disso, os pesquisadores argumentam que o progresso futuro depende de projetar métodos de medição que reunam informações de maneira mais eficiente.

Repensando a Eficiência no Design de Relógios Quânticos

A autora principal, professora Natalia Ares (Departamento de Engenharia, Universidade de Oxford), disse: “Acreditava-se que relógios quânticos funcionando em escalas menores iriam diminuir o custo energético da medição do tempo, mas nosso novo experimento revela uma reviravolta surpreendente. Em vez disso, nos relógios quânticos, os ‘tiks’ quânticos superam em muito o funcionamento do próprio relógio.”

Segundo os pesquisadores, esse desequilíbrio pode, na verdade, oferecer uma vantagem. A energia adicional utilizada durante a medição pode fornecer informações mais ricas sobre o comportamento do relógio, não apenas contando tiks, mas capturando cada pequena flutuação. Isso pode tornar possível a construção de relógios altamente precisos que operem de forma mais eficiente.

O coautor Vivek Wadhia (estudante de doutorado, Departamento de Engenharia) disse: “Nossos resultados sugerem que a entropia produzida pela amplificação e medição dos tiks de um relógio, que muitas vezes foi ignorada na literatura, é o custo termodinâmico mais importante e fundamental da cronometragem em escala quântica. O próximo passo é entender os princípios que governam a eficiência em dispositivos em escala nanométrica, para que possamos projetar dispositivos autônomos que computem e mantenham o tempo com muito mais eficiência, como a natureza faz.”

O coautor Florian Meier (estudante de doutorado, Technische Universität Wien) disse: “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 ticar em si — que confere ao tempo sua direção para a frente, essas novas descobertas estabelecem uma conexão poderosa entre a física da energia e a ciência da informação.”

O estudo também contou com a participação de pesquisadores da TU Wien e do Trinity College Dublin.