Esiste al mondo un orologio che per funzionare consuma pochissima energia, ma nel momento in cui guardi che ore sono, improvvisamente ne richiede un miliardo di volte di più. Sembra assurdo, eppure è esattamente quello che accade con gli orologi quantistici, secondo una ricerca appena pubblicata sulla rivista scientifica Physical Review Letters.
I ricercatori dell’Università di Oxford e della Technische Universität Wien hanno costruito un minuscolo orologio quantistico per studiare qualcosa di cui la scienza parla poco: quanto costa energeticamente osservare un fenomeno quantistico. Il risultato è stato sorprendente. Mentre l’orologio ticchetta tranquillamente consumando energia minima, il semplice atto di guardarlo per sapere che ore sono richiede un’enorme quantità di energia in più.
Natalia Ares, coordinatrice dello studio all’Università di Oxford, spiega che tutti si aspettavano il contrario: più piccolo è l’orologio, meno energia dovrebbe servire per leggerlo. Invece hanno scoperto che nei dispositivi quantistici l’energia necessaria per la misurazione supera enormemente quella del meccanismo stesso.
Per capire meglio, occorre spiegare cos’è un orologio quantistico. Nel loro esperimento, gli scienziati hanno usato due elettroni che saltano avanti e indietro tra due aree diverse. Ogni salto corrisponde a un “tic” come quello di un orologio normale. Per tenere traccia di questi salti, hanno misurato le minuscole variazioni nelle correnti elettriche e nelle onde radio prodotte dagli elettroni.
Il problema è che nella meccanica quantistica, l’atto di misurare qualcosa non è neutrale. È come se, aprendo la scatola per vedere cosa c’è dentro, automaticamente cambiassimo il contenuto. Questo principio è reso celebre dall’esperimento mentale del gatto di Schrödinger: finché non apriamo la scatola, il gatto è sia vivo che morto contemporaneamente.
Confrontando l’energia consumata dagli elettroni che saltano con quella necessaria per misurare questi salti, i ricercatori hanno fatto una scoperta interessante. L’energia della misurazione non solo supera di tantissimo quella del funzionamento, ma permette anche una precisione notevolmente maggiore. In altre parole, spendendo più energia nella lettura, l’orologio diventa più preciso.
Florian Meier, uno dei responsabili dello studio, sottolinea che questa scoperta dimostra come sia proprio l’atto di misurare a dare al tempo la sua direzione in avanti, non solo il ticchettio dell’orologio. È un collegamento importante tra la fisica dell’energia e la scienza dell’informazione.
Ok, ma perché tutto questo è importante? Le tecnologie quantistiche promettono grandi innovazioni: computer super potenti, sistemi di navigazione precisissimi, sensori ultra sensibili. Tuttavia, il tempo è un concetto complicato nel mondo quantistico. Mentre le particelle quantistiche seguono regole strane e imprevedibili, i dispositivi reali devono funzionare nel mondo normale dove il tempo scorre in modo preciso.
Edward Laird, fisico dell’Università di Lancaster non coinvolto nello studio, ritiene che capire queste dinamiche energetiche sarà utile per sincronizzare le operazioni nei computer quantistici avanzati. Questi dispositivi dovranno contenere orologi interni estremamente precisi per funzionare correttamente e ridurre gli errori.
Anche se sembra un problema, questa richiesta energetica extra potrebbe essere un’opportunità. Se i ricercatori riescono a controllarla nel modo giusto, potrebbero sfruttarla per creare orologi ancora più precisi. È paradossale: quello che sembrava uno svantaggio potrebbe diventare un punto di forza.
L’esperimento è stato condotto in un frigorifero a diluizione, uno strumento che raggiunge temperature vicine allo zero assoluto. Solo in queste condizioni estreme si possono osservare i fenomeni quantistici senza interferenze esterne.
L’efficienza energetica è sempre stata una sfida nella progettazione di tecnologie quantistiche. Questa ricerca suggerisce che forse è il momento di guardare oltre i problemi tecnici dell’hardware e riconsiderare alcuni paradossi fondamentali della meccanica quantistica teorica.
La scoperta pone anche domande filosofiche profonde: è proprio l’osservazione a creare la freccia del tempo? È una domanda affascinante che continueremo a farci per molto, molto tempo ancora.
