Observar o fluxo do tempo na escala quântica revela um fenômeno energético desconcertante: a energia necessária para simplesmente ler as horas excede astronomicamente a consumida pelo funcionamento do próprio dispositivo. Esta descoberta questiona nossa compreensão fundamental da termodinâmica no mundo quântico.
Os relógios quânticos representam a fronteira final da medição temporal, onde os processos físicos operam em escalas infinitésimas. Ao contrário dos mecanismos horários tradicionais que dependem de movimentos macroscópicos, estes dispositivos exploram o comportamento delicado das partículas subatômicas. A equipa de Oxford concentrou suas pesquisas num sistema particular usando elétrons únicos movendo-se entre dois pontos quânticos, cada transição constituindo um 'segundo' quântico.
A experiência minuciosa exigiu condições extremas de temperatura e isolamento para observar estes fenômenos quânticos. Os investigadores empregaram dois métodos de detecção distintos: um medindo correntes elétricas ínfimas, outro usando ondas de rádio para captar as variações do sistema. Estas técnicas visavam transformar a atividade quântica em informações clássicas utilizáveis, criando assim uma ponte entre os dois mundos físicos.
Os resultados quantitativos surpreenderam a comunidade científica. A análise termodinâmica detalhada mostra que a entropia gerada pelo processo de medição excede por um fator de um bilhão a produzida pelo mecanismo horário em si. Esta desproporção colossal salienta que a observação constitui a etapa mais energívora no processo de medição temporal quântica, revertendo pressupostos estabelecidos há décadas.
Esta descoberta abre perspetivas inesperadas para o aprimoramento das tecnologias quânticas. Em vez de procurar otimizar apenas os sistemas quânticos, os investigadores propõem desenvolver métodos de detecção mais eficazes. A energia despendida na medição poderia ser melhor aproveitada para, por exemplo, obter informações mais ricas sobre o comportamento do sistema, permitindo uma precisão acrescida.
As implicações destes trabalhos ultrapassam o domínio da relojoaria quântica. Elas iluminam sob nova luz a relação entre informação e termodinâmica, com a suposição de que o ato de observar desempenha um papel fundamental no estabelecimento da flecha do tempo. Esta conexão profunda entre medição e irreversibilidade poderia influenciar diversos ramos da física fundamental.
Comparação energética entre funcionamento e leitura de um relógio quântico
Crédito: Natalia Ares, Vivek Wadhia, Federico Fedele
Os investigadores planeiam agora explorar os princípios que governam a eficiência energética dos dispositivos nanométricos. Esta compreensão poderia levar ao desenvolvimento de sistemas autónomos capazes de calcular e medir o tempo com uma eficiência comparável à observada nos processos naturais, abrindo caminho para uma nova geração de tecnologias quânticas.
O "paradoxo" da medição quântica
A física quântica introduz conceitos contra-intuitivos sobre a observação dos sistemas. Quando um fenômeno quântico é medido, sofre uma transição fundamental passando de um estado de superposição para um estado clássico definido. Esta transformação, chamada redução do pacote de onda, constitui um dos aspetos mais misteriosos da teoria quântica.
O processo de medição implica necessariamente uma interação entre o sistema observado e o aparelho de medição. Esta interação modifica irremediavelmente o estado do sistema, ao contrário das medições clássicas onde a observação pode ser considerada passiva. No caso dos relógios quânticos, esta interação torna-se particularmente significativa em termos energéticos.
A energia despendida durante a medição quântica serve principalmente para amplificar os sinais infinitésimos até níveis detetáveis. Esta amplificação transforma a informação quântica, delicada e frágil, em dados clássicos estáveis e utilizáveis. O custo energético desta conversão explica em grande parte o desequilíbrio observado entre funcionamento e leitura.
Fonte: Physical Review Letters