Une étude menée par l’Université d’Oxford a identifié une source surprenante d’entropie dans la mesure du temps quantique : l’acte de mesurer lui-même. Dans une étude publiée dans Lettres d'examen physiqueles scientifiques démontrent que le coût énergétique de la « lecture » d'une horloge quantique dépasse de loin le coût de son fonctionnement, avec des implications pour la conception des futures technologies quantiques.
Les horloges, qu'il s'agisse de pendules ou d'oscillateurs atomiques, s'appuient sur des processus irréversibles pour marquer le passage du temps. À l’échelle quantique, où ces processus sont faibles ou presque inexistants, la mesure du temps devient beaucoup plus difficile.
Pour les futurs appareils quantiques qui reposent sur une chronométrage précis, tels que les capteurs et les systèmes de navigation, il est essentiel que leurs horloges internes soient économes en énergie. Mais jusqu’à présent, la thermodynamique des horloges quantiques restait un mystère.
Mesurer les horloges quantiques consomme beaucoup d’énergie
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont demandé quel est le coût thermodynamique réel du maintien du temps à l’échelle quantique, et quelle part de ce coût provient de l’acte de mesure lui-même ?
Pour ce faire, ils ont construit une horloge microscopique utilisant des électrons simples sautant entre deux régions nanométriques (appelées points quantiques doubles), chaque saut agissant comme un « tic-tac » de l’horloge.
Pour détecter ces tiques, les chercheurs ont utilisé deux méthodes : un qui mesurait de minuscules courants électriques et un autre qui utilisait des ondes radio pour détecter les changements dans le système. Dans les deux cas, les capteurs convertissent les signaux quantiques (sauts d’électrons) en données classiques que nous pouvons enregistrer : une transition quantique vers classique.
Les chercheurs ont calculé l'entropie (quantité d'énergie dissipée) à la fois par le mécanisme d'horloge quantique (c'est-à-dire le double point quantique) et par l'appareil de mesure. Leurs résultats ont révélé que l’énergie nécessaire pour lire une horloge quantique (c’est-à-dire pour transformer ses minuscules signaux en quelque chose que nous pouvons enregistrer) est jusqu’à un milliard de fois supérieure à l’énergie utilisée par l’horloge elle-même.
Cela renverse l’hypothèse selon laquelle le coût des mesures en physique quantique peut être ignoré. Elle met également en lumière un constat surprenant : l’acte même d’observer est ce qui donne au temps son sens, en le rendant irréversible.
Cela renverse une hypothèse courante : selon laquelle des horloges plus efficaces nécessitent de meilleurs systèmes quantiques. La recherche devrait plutôt se concentrer sur des moyens plus intelligents et plus économes en énergie pour mesurer les tiques.
Implications pour les futurs appareils quantiques
L'auteur principal, le professeur Natalia Ares (Département des sciences de l'ingénierie, Université d'Oxford) a déclaré : « Les horloges quantiques fonctionnant aux plus petites échelles étaient censées réduire le coût énergétique du chronométrage, mais notre nouvelle expérience révèle une tournure surprenante. Au lieu de cela, dans les horloges quantiques, les tics quantiques dépassent de loin ceux du mécanisme d'horlogerie lui-même. »
Cependant, selon les chercheurs, ce déséquilibre pourrait être une caractéristique et non un défaut. L'énergie de mesure supplémentaire peut donner plus d'informations sur le comportement de l'horloge : pas seulement un décompte, mais un enregistrement détaillé de chaque petit changement. Cela ouvre de nouvelles voies pour obtenir plus efficacement des horloges très précises.
Le co-auteur Vivek Wadhia (étudiant en doctorat, Département des sciences de l'ingénieur) a déclaré : « Nos résultats suggèrent que l'entropie produite par l'amplification et la mesure des tics d'une horloge, qui a souvent été ignorée dans la littérature, est le coût thermodynamique le plus important et fondamental du chronométrage à l'échelle quantique.
« La prochaine étape consiste à comprendre les principes régissant l'efficacité des appareils à l'échelle nanométrique afin que nous puissions concevoir des appareils autonomes qui calculent et conservent le temps beaucoup plus efficacement, comme le fait la nature. »
Le co-auteur Florian Meier (étudiant en doctorat à la Technische Universität Wien) a déclaré : « Au-delà des horloges quantiques, la recherche touche à des questions profondes en physique, notamment pourquoi le temps s'écoule dans une direction. En montrant que c'est l'acte de mesurer, et pas seulement le tic-tac lui-même, qui donne au temps sa direction vers l'avant, ces nouvelles découvertes établissent un lien puissant entre la physique de l'énergie et la science de l'information.
L'étude a également impliqué des chercheurs de la TU Wien et du Trinity College de Dublin.
