Nella meccanica quantistica si nasconde un paradosso inaspettato che sfida le nostre convinzioni sulla misurazione del tempo alle scale più piccole dell'universo. Un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Oxford ha dimostrato che l'entropia generata durante la lettura di un orologio quantistico può superare di un miliardo di volte quella prodotta dal meccanismo stesso che scandisce il tempo. La scoperta, pubblicata il 14 novembre sulla rivista Physical Review Letters, costringe a ripensare radicalmente l'approccio progettuale delle tecnologie quantistiche di nuova generazione e getta nuova luce su una delle questioni fondamentali della fisica: perché il tempo scorre sempre in avanti.
La termodinamica degli orologi quantistici rappresenta un territorio quasi inesplorato della fisica moderna. Mentre gli orologi tradizionali, dai pendoli agli oscillatori atomici, dipendono da processi irreversibili per misurare il tempo, a livello quantistico questi fenomeni diventano estremamente deboli o possono persino non verificarsi affatto. Questa peculiarità rende il cronometraggio quantistico straordinariamente complesso, una sfida cruciale per dispositivi come sensori quantistici e sistemi di navigazione che richiedono precisione temporale estrema con un consumo energetico minimo.
Per indagare il reale costo termodinamico del cronometraggio quantistico, il team ha costruito un orologio in miniatura basato sul comportamento di singoli elettroni. Il dispositivo sfrutta un doppio punto quantico, una struttura nanoscopica in cui gli elettroni possono "saltare" tra due regioni separate. Ogni salto costituisce un "tic" dell'orologio. I ricercatori hanno poi monitorato questi eventi utilizzando due tecniche distinte: la prima misurando correnti elettriche infinitesimali, la seconda impiegando onde radio per rilevare variazioni impercettibili nel sistema. In entrambi i casi, i rivelatori convertono eventi quantistici in informazione classica registrabile, operando quella che in fisica viene definita transizione quantum-to-classical.
I risultati hanno rivelato una sproporzione sconcertante. Calcolando l'entropia generata sia dall'orologio stesso sia dai dispositivi di misurazione, gli scienziati hanno scoperto che l'energia dissipata per leggere l'orologio quantistico può essere fino a un miliardo di volte superiore all'energia consumata dal meccanismo che produce i tic. Questo dato contraddice frontalmente l'assunto consolidato secondo cui i costi energetici della misurazione in fisica quantistica siano trascurabili e svela un aspetto sorprendente: è l'osservazione stessa a introdurre l'irreversibilità, proprietà che conferisce al tempo la sua direzione unidirezionale.
La professoressa Natalia Ares, responsabile dello studio presso il Dipartimento di Scienze Ingegneristiche dell'Università di Oxford, ha sottolineato come gli orologi quantistici che operano alle scale più piccole fossero attesi abbassare il costo energetico del cronometraggio, ma il nuovo esperimento rivela una svolta sorprendente. Questa scoperta ribalta le aspettative tradizionali: migliorare gli orologi quantistici non richiede necessariamente componenti quantistici più sofisticati, ma piuttosto metodi di misurazione capaci di raccogliere informazioni in modo più efficiente.
Paradossalmente, questo squilibrio energetico potrebbe trasformarsi in un vantaggio. L'energia supplementare utilizzata durante la misurazione fornisce informazioni più ricche sul comportamento dell'orologio, catturando non solo i tic ma anche ogni minuscola fluttuazione. Secondo i ricercatori, questo potrebbe permettere la costruzione di orologi estremamente precisi che operano con maggiore efficienza complessiva. Vivek Wadhia, dottorando presso il medesimo dipartimento e coautore dello studio, ha evidenziato come il passo successivo consista nel comprendere i principi che governano l'efficienza nei dispositivi su scala nanometrica, per progettare sistemi autonomi capaci di computare e misurare il tempo con l'efficienza che caratterizza i processi naturali.
Le implicazioni della ricerca si estendono oltre l'ingegneria quantistica, toccando questioni fondamentali della fisica teorica. Florian Meier, dottorando alla Technische Universität Wien e coautore dello studio, ha posto l'accento sulla connessione profonda tra fisica dell'energia e scienza dell'informazione: dimostrare che è l'atto di misurare, non semplicemente il ticchettio, a conferire al tempo la sua direzione unidirezionale stabilisce un legame potente tra termodinamica e teoria dell'informazione. La freccia del tempo, concetto che ha affascinato fisici e filosofi per secoli, trova nella misurazione quantistica una fonte insospettata di irreversibilità.
La ricerca, condotta in collaborazione con l'Università Tecnica di Vienna e il Trinity College di Dublino, apre prospettive concrete per lo sviluppo di tecnologie quantistiche più efficienti. Sensori quantistici per applicazioni mediche, sistemi di navigazione ultraprecisi e computer quantistici dovranno integrare strategie di misurazione ottimizzate per minimizzare la dissipazione entropica.