Un team guidato dall’Università di Oxford ha individuato un contributo del tutto inatteso all’entropia nei sistemi di misurazione del tempo quantistici: l’atto stesso della misura e secondo i risultati pubblicati il 14 novembre su Physical Review Letters, l’energia necessaria per “leggere” un orologio quantistico supera di gran lunga quella richiesta per farlo funzionare; una scoperta che apre nuove sfide (e opportunità) per le tecnologie quantistiche di prossima generazione.
Quando il tempo si misura nel mondo quantistico
Gli orologi classici (dai pendoli agli oscillatori atomici) si basano su processi irreversibili per scandire il tempo. A livello quantistico, però, questi processi diventano debolissimi o quasi inesistenti, rendendo la misura del tempo un problema molto più complesso del previsto.
Tecnologie come sensori quantistici, sistemi di navigazione e dispositivi di metrologia avanzata hanno bisogno di orologi interni precisi ma a bassissimo consumo energetico. Tuttavia, il comportamento termodinamico di questi sistemi era finora un territorio poco esplorato.
Capire il vero costo energetico del tempo
Gli autori dello studio hanno voluto determinare il reale “peso” termodinamico della misura del tempo nel mondo quantistico e, soprattutto, quanto di questo costo dipenda dall’atto di osservazione.
Per farlo, hanno costruito un minuscolo orologio basato sul movimento di singoli elettroni che saltano avanti e indietro tra due regioni nanometriche, chiamate double quantum dot. Ogni salto equivale a un “tick” dell’orologio.
I ricercatori hanno poi monitorato questi tick usando due tecniche differenti:
- la misura di correnti elettriche estremamente deboli,
- l’uso di onde radio per rilevare variazioni sottilissime all’interno del sistema.
In entrambi i casi, i dispositivi di misura trasformano eventi quantistici in informazioni classiche registrabili: una vera e propria transizione quantistico-classica.
Il risultato inatteso: leggere l’orologio costa miliardi di volte più che farlo funzionare
Analizzando l’entropia prodotta dal sistema quantistico e dai dispositivi di misura, il team è arrivato a un dato sorprendente: l’energia necessaria per leggere un orologio quantistico può essere fino a un miliardo di volte superiore all’energia utilizzata dall’orologio stesso.
Questo ribalta una convinzione radicata nella fisica quantistica: che i costi energetici della misura siano trascurabili. E mette in luce un concetto fondamentale: l’osservazione introduce irreversibilità, e proprio questa irreversibilità è ciò che dona al tempo la sua direzione “in avanti”.
Nuove strategie per i futuri orologi quantistici
La professoressa Natalia Ares (Università di Oxford), autrice principale dello studio, ha commentato: “Gli orologi quantistici su scala minima dovevano ridurre i costi energetici della misurazione del tempo. Ma il nostro esperimento mostra un risultato sorprendente: nei sistemi quantistici, sono i tick della misura, non il meccanismo interno, a dominare il consumo energetico.”
Secondo i ricercatori, questo squilibrio potrebbe persino diventare un vantaggio: l’energia extra richiesta per la misura permette di ottenere informazioni molto più dettagliate sul comportamento dell’orologio, non solo sul numero di tick, ma anche sulle loro fluttuazioni interne. Ottimo punto di partenza per sviluppare orologi quantistici più precisi e più efficienti.
La misura come costo fondamentale
Il co-autore Vivek Wadhia (Università di Oxford) ha aggiunto: “L’entropia generata dall’amplificazione e dalla misura dei tick, spesso ignorata, è in realtà il costo termodinamico più importante della misura del tempo su scala quantistica.”
Il prossimo passo sarà capire come rendere più efficienti i dispositivi nanoscopici autonomi, un po’ come fa la natura nei sistemi biologici.
Perché il tempo scorre solo in avanti
Infine, Florian Meier (TU Wien) ha sottolineato un aspetto concettuale ancora più profondo: “I nostri risultati toccano domande fondamentali della fisica, incluso perché il tempo ha una direzione. Mostriamo che non è il semplice ticchettio del sistema, ma l’atto di misurare a dare al tempo la sua freccia.”
Lo studio ha coinvolto anche ricercatori della TU Wien e del Trinity College Dublin.
