Leer un reloj cuántico consume mil millones de veces más energía que hacerlo funcionar

Científicos de la Universidad de Oxford han identificado una sorprendente fuente de entropía en la medición del tiempo a escala cuántica: el propio acto de medición. Según un estudio publicado en Physical Review Letters, el costo energético de 'leer' un reloj cuántico supera enormemente al costo de hacerlo funcionar, lo que tiene profundas implicaciones para el diseño de futuras tecnologías cuánticas.

Los relojes, ya sean péndulos u osciladores atómicos, dependen de procesos irreversibles para marcar el paso del tiempo. A escala cuántica, donde estos procesos son débiles o casi ausentes, la medición del tiempo se vuelve mucho más desafiante.

Para los futuros dispositivos cuánticos que dependen de una medición precisa del tiempo —como sensores y sistemas de navegación— es fundamental que sus relojes internos sean energéticamente eficientes. Sin embargo, hasta ahora, la termodinámica de los relojes cuánticos había sido un misterio.

En este nuevo estudio, los investigadores se preguntaron cuál es el verdadero costo termodinámico de mantener el tiempo a escala cuántica, y cuánto de ese costo proviene del acto de medición en sí.

Para responder a estas preguntas, construyeron un reloj microscópico utilizando electrones individuales que saltan entre dos regiones a nanoescala (conocido como punto cuántico doble), donde cada salto actúa como un 'tic' del reloj.

Para detectar estos tics, los investigadores utilizaron dos métodos: uno que medía corrientes eléctricas minúsculas y otro que usaba ondas de radio para detectar cambios en el sistema. En ambos casos, los sensores convierten señales cuánticas (saltos de electrones) en datos clásicos que podemos registrar: una transición cuántica a clásica.

Los investigadores calcularon la entropía (cantidad de energía disipada) tanto por el mecanismo del reloj cuántico (es decir, el punto cuántico doble) como por el aparato de medición. Sus resultados revelaron que la energía necesaria para leer un reloj cuántico (es decir, para convertir sus pequeñas señales en algo que podamos registrar) es hasta mil millones de veces mayor que la energía utilizada por el reloj mismo.

Este hallazgo invalida la suposición de que el costo de la medición en física cuántica puede ignorarse. También destaca una perspectiva sorprendente: el acto mismo de observación es lo que da al tiempo su dirección, al hacerlo irreversible.

Esto contradice una suposición común: que los relojes más eficientes necesitan mejores sistemas cuánticos. En cambio, la investigación debería centrarse en formas más inteligentes y energéticamente eficientes de medir los tics.

La profesora Natalia Ares, autora principal del estudio (Departamento de Ingeniería Científica, Universidad de Oxford), señaló: "Se esperaba que los relojes cuánticos que funcionan a las escalas más pequeñas redujeran el costo energético de la medición del tiempo, pero nuestro nuevo experimento revela un giro sorprendente. En cambio, en los relojes cuánticos, el costo energético de medir los tics supera con creces al del mecanismo del reloj mismo".

Sin embargo, según los investigadores, este desequilibrio podría ser una característica, no un defecto. La energía adicional de medición puede proporcionar más información sobre el comportamiento del reloj: no solo un recuento de tics, sino un registro detallado de cada pequeño cambio. Esto abre nuevas vías para lograr relojes altamente precisos de manera más eficiente.

Vivek Wadhia, coautor y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Científica, afirmó: "Nuestros resultados sugieren que la entropía producida por la amplificación y medición de los tics de un reloj, que a menudo se ha ignorado en la literatura, es el costo termodinámico más importante y fundamental de la medición del tiempo a escala cuántica".

"El siguiente paso es comprender los principios que rigen la eficiencia en dispositivos a nanoescala para que podamos diseñar dispositivos autónomos que calculen y midan el tiempo de manera mucho más eficiente, como lo hace la naturaleza", añadió Wadhia.

Florian Meier, coautor y estudiante de doctorado en la Universidad Técnica de Viena, explicó: "Más allá de los relojes cuánticos, la investigación aborda preguntas profundas en física, incluido por qué el tiempo fluye en una dirección. Al demostrar que es el acto de medir —no solo el tictac en sí— lo que da al tiempo su dirección hacia adelante, 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 la Universidad Técnica de Viena y del Trinity College de Dublín, y sus resultados completos están disponibles en Physical Review Letters bajo el identificador DOI: 10.1103/5rtj-djfk.