En las últimas décadas, la física ha ido avanzando en el desarrollo de relojes cada vez más sofisticados, capaces de medir el tiempo con una precisión impresionante. Estos dispositivos son esenciales para validar teorías científicas y comprender fenómenos físicos que ocurren en escalas de tiempo extremadamente cortas. Recientemente, un equipo de investigación se reunió en la Conferencia de Termodinámica Cuántica 2023 en Viena y presentó un concepto innovador: un reloj cuántico microscópico que mejora la precisión temporal mientras consume significativamente menos energía.
Los principios detrás del nuevo reloj cuántico
El equipo, que incluye a investigadores de la Universidad Técnica de Viena, la Academia Austriaca de Ciencias, la Universidad de Chalmers y la Universidad de Malta, ha publicado sus hallazgos en la revista Nature Physics. La idea central es la posibilidad de intercambiar la precisión de un reloj con su resolución, utilizando un enfoque genuinamente cuántico. Marcus Huber, autor principal del estudio, explicó que este método se asemeja a un reloj de arena, donde en lugar de contar granos de arena individuales, se espera a que caiga una cantidad suficiente para medir el tiempo con mayor exactitud. Este tipo de operación permite resolver las unidades de tiempo con mayor precisión, a cambio de un tiempo de espera más largo.
Relación entre precisión y termodinámica
Un aspecto interesante del diseño del reloj cuántico es la relación entre la precisión de los relojes clásicos y su termodinámica, que es lineal. Esto implica que, para duplicar la precisión de un reloj, también es necesario duplicar la disipación de entropía, es decir, la pérdida irreversible de energía utilizable. Huber menciona que el reloj cuántico propuesto tiene la capacidad de transportar eventos de manera coherente sin generar eventos irreversibles, lo que permite un aumento de la precisión casi sin aumentar la entropía.
Desafíos y expectativas futuras
A medida que la tecnología de los relojes avanza, se anticipa que la disipación de energía se convierta en un factor limitante para la precisión de los relojes cuánticos. Florian Meier, coautor del estudio, destaca que, aunque actualmente la disipación no es la principal limitante, en el futuro podría ser un problema significativo. Esto es similar a lo que ocurrió en la computación clásica, donde la disipación de calor, antes considerada irrelevante, se ha vuelto crucial en los centros de datos actuales.
Prototipos y experimentos en desarrollo
El equipo de investigación planea construir prototipos de su reloj cuántico utilizando circuitos superconductores basados en uniones Josephson, que son similares a los utilizados para construir computadoras cuánticas. Simone Gasparinetti, otro autor destacado del equipo, enfatiza que aunque realizar un reloj cuántico con estos circuitos requiere un enfoque diferente, están confiados en que pueden demostrar la ventaja exponencial mencionada en su estudio.
Implicaciones de la investigación
Al vincular el tiempo y la termodinámica a efectos de muchos cuerpos, este trabajo abre un abanico de posibilidades para el uso de efectos cuánticos en la termodinámica a escala nanométrica. Los investigadores esperan demostrar en entornos experimentales las ventajas de su diseño de reloj cuántico, lo que podría revolucionar no solo la medición del tiempo, sino también el desarrollo de sistemas cuánticos autónomos que eviten la disipación.
