El reloj del anillo. Crédito: Física de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41567-025-02929-2
En las últimas décadas, los físicos han estado tratando de desarrollar relojes cada vez más sofisticados y precisos para medir de manera confiable la duración de los procesos físicos que se desarrollan durante períodos de tiempo muy cortos, lo que ayuda a validar varias predicciones teóricas. Estos incluyen los llamados relojes cuánticos, sistemas de cronometraje que aprovechan los principios de la mecánica cuántica para medir el tiempo con una precisión extremadamente alta.
Después de reunirse en la Conferencia Quantum de Termodinámica (QTD) 2023 en Viena, un equipo de investigadores de Technische Universität Wien (TU Wien), la Academia de Ciencias de Austria, la Universidad de Tecnología de Chalmers y la Universidad de Malta se propusieron realizar un nuevo reloj cuántico microscópico que podría mantener el tiempo precisamente y mientras se disgusta menos energía. Su marco para desarrollar este reloj se presentó en un artículo publicado en Nature Physics.
“El principio principal es la posibilidad de intercambiar la precisión de un reloj con su resolución (de manera nueva y genuinamente cuántica)”, dijo Marcus Huber, autor principal del documento, a Tech Xplore. “Al igual que en un reloj de arena, podemos, en lugar de usar granos de arena individuales como garrapatas, esperar hasta que haya caído una cantidad suficiente. Las unidades de tiempo resultantes se resolverán con mayor precisión, a expensas de tener que esperar más.
“Lo mismo podría, por ejemplo, también decirse de los relojes mecánicos con un trinquete que mueve la segunda mano y la segunda mano que se mueve la mano del minuto. Pero cada uno de estos eventos fundamentales (ya sea arenoso, de segunda mano o sondeando el campo electromagnético de un láser estabilizado en transiciones atómicas) tiene un costo termodinámico”.
Cada vez que ocurre un evento irreversible, la energía se disipa de las tecnologías de tiempo de espera. Por lo tanto, para aumentar la precisión de los relojes, también se necesita aumentar la entropía (es decir, su desorden o aleatoriedad).
La relación entre la precisión de los relojes clásicos, así como la de la mayoría de los relojes cuánticos simples, y su termodinámica es lineal. Esto significa que para duplicar su precisión, uno también necesita doble disipación de entropía (es decir, la pérdida irreversible de su energía utilizable).
“Nuestra característica principal de muchos relojes de carrocería es que permite que estos eventos subyacentes se transporten de manera coherente, sin producir un evento irreversible en el proceso”, dijo Huber. “Como si la segunda mano de un reloj se moviera sin observar y no perturbada, aún aumenta la precisión de la mano del minuto al concluir un pase. De esa manera, el transporte cuántico y cuántico de muchos cuerpos permite un aumento casi sin entropía en la precisión (al menos solo logarítmicamente con el número de eventos que se observarían clásicamente solo)”.
Una característica característica del diseño de reloj cuántico introducido por Huber y sus colegas es que se basa en el transporte cuántico coherente libre de disipación, una transferencia similar a una onda de estados cuánticos. Esto podría permitir que se disipe significativamente menos entropía que los relojes cuánticos introducidos previamente, lo que aumenta su eficiencia energética.
“Como resultado, una sola revolución de la mano del reloj cuántico implica significativamente menos disipación que la de un reloj clásico, cuya mano produce continuamente entropía durante su movimiento”, explicó Florian Meier, primer autor del artículo.
El diseño de reloj cuántico propuesto por este equipo de investigadores desafía la suposición de larga data de que aumentar la precisión de los dispositivos de tiempo de espera tiene un costo, es decir, un aumento en la disipación de energía. En el futuro, podría abrir nuevas posibilidades emocionantes para la realización de sistemas de tiempo de mantenimiento cuántico ultra preciso y sin eficiencia energética.
“En la actualidad, la disipación no es la principal limitación en el rendimiento de los relojes de última generación”, dijo Meier. “Sin embargo, a medida que la tecnología de reloj continúa avanzando, nos estamos acercando a un punto en el que la disipación podría convertirse en un factor significativo que afecta la precisión. Una analogía útil proviene de la informática clásica: durante muchos años, la disipación de calor se consideró negligible, pero en los centros de datos actuales de la actualidad, se ha convertido en una gran preocupación.
Si bien los investigadores predicen que la disipación limitará inevitablemente la medida en que se puede mejorar la precisión de los relojes cuánticos, su documento describe los principios de física fundamental que podrían ayudar a minimizar la disipación en el futuro. Como parte de sus próximos estudios, Huber, Meier y sus colegas les gustaría comenzar a probar prototipos de su reloj cuántico en entornos experimentales, para validar aún más su potencial.
“En Chalmers, actualmente estamos construyendo uno de esos prototipos utilizando circuitos superconductores basados en Josephson Junctions”, dijo Simone Gasparinetti, autora senior del equipo que actualmente está trabajando para realizar experimentalmente el reloj cuántico. “Estos circuitos son similares a los utilizados para construir una computadora cuántica por compañías como IBM o Google. La realización de un reloj cuántico basado en estos circuitos requiere un enfoque diferente, pero estamos seguros de que una demostración de prueba de concepto de la ventaja exponencial que se encuentra en el documento está al alcance de nuestra tecnología”.
Al vincular el tiempo y la termodinámica con los efectos de muchos cuerpos (por ejemplo, el transporte coherente de excitaciones), los trabajos de estos investigadores abre una amplia gama de posibilidades para el uso de efectos cuánticos en el campo de la termodinámica a nanoescala. Como parte de sus futuros estudios, esperan demostrar aún más las ventajas de su diseño de reloj cuántico en entornos experimentales.
“Queremos explorar las implementaciones experimentales, así como el uso de tales procesos autónomos de alta precisión para el control temporal directo de los dispositivos cuánticos, evitando la disipación”, agregó Huber “.
Escrito para usted por nuestro autor Ingrid Fadelli, editado por Stephanie Baum, y verificado y revisado por Robert Egan, este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Confiamos en lectores como usted para mantener vivo el periodismo científico independiente. Si este informe le importa, considere una donación (especialmente mensualmente). Obtendrá una cuenta sin anuncios como agradecimiento.
Más información: Florian Meier et al, la precisión no está limitada por la segunda ley de la termodinámica, la física de la naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41567-025-02929-2.
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Cita: Un marco para realizar un reloj cuántico microscópico, altamente preciso y eficiente en energía (2025, 14 de junio) Recuperado el 14 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06framework-microscópico-highly-precise-energy.html
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