Un team di Oxford scopre che il vero consumo di energia negli orologi quantistici è semplicemente la loro lettura

Un nuovo studio dimostra che leggere un orologio quantistico può richiedere un miliardo di volte più energia rispetto al suo funzionamento.

In fisica, la misurazione del tempo è alla base di tutto, dal GPS agli esperimenti sulle particelle, e gli orologi quantistici dovrebbero rappresentare il futuro ultra-preciso di questa storia.

Tuttavia, una nuova ricerca condotta da scienziati dell'Università di Oxford suggerisce che, alle scale più piccole, la bolletta energetica più elevata non deriva dal funzionamento dell'orologio, ma dalla sua misurazione. Inoltre, sostiene il team, cambia il nostro modo di concepire la termodinamica del tempo stesso.

Costo nascosto in un orologio quantistico

Nell'ambito dello studio, i ricercatori hanno costruito un minuscolo orologio quantistico basato su singoli elettroni che saltano tra due regioni nanometriche, una configurazione nota come doppio punto quantico. Ogni salto agisce come un "tic", offrendo loro un modo per misurare il tempo utilizzando singoli eventi quantistici anziché pendoli oscillanti o atomi vibranti.

Ma il punto principale è che non si sono limitati a osservare il dispositivo in funzione, ma hanno anche monitorato quanta entropia - energia dispersa sotto forma di calore - veniva prodotta dal meccanismo dell'orologio e dall'elettronica utilizzata per leggerlo. Hanno scoperto un enorme squilibrio: l'hardware di misurazione, che trasforma i delicati segnali quantistici in dati classici, consumava fino a un miliardo di volte più energia dell'orologio stesso.

L'autrice principale dello studio, la professoressa Natalia Ares, ha riassunto il tutto affermando: "Ci si aspettava che gli orologi quantistici funzionanti alle scale più piccole riducessero il costo energetico della misurazione del tempo, ma il nostro nuovo esperimento rivela una svolta sorprendente. "Invece, negli orologi quantistici, i ticchettii quantistici superano di gran lunga quelli del meccanismo stesso."

Perchè misurare il tempo è così costoso?

Il team ha utilizzato due diversi schemi di rilevamento – uno che rileva minuscole correnti elettriche, l'altro che utilizza onde radio – per trasformare ogni salto elettronico in un segnale classico utilizzabile. In entrambi i casi, l'elettronica aggiuntiva che amplifica e registra i ticchettii ha superato il modesto costo termodinamico del dispositivo quantistico che esegue il ticchettio.

Esperimenti. — Gli esperimenti hanno rivelato che la misurazione di minuscoli tick quantistici ha contribuito a spiegare perché il tempo sembra scorrere in una sola direzione.

Il coautore dello studio, Vivek Wadhia, ha aggiunto: "I nostri risultati suggeriscono che l'entropia prodotta dall'amplificazione e dalla misurazione dei ticchettii di un orologio, spesso ignorata in letteratura, rappresenta il costo termodinamico più importante e fondamentale della misurazione del tempo su scala quantistica".

Ha aggiunto che il passo successivo è capire come rendere questi sistemi su scala nanometrica molto più efficienti, in modo che possano calcolare e misurare il tempo in modo più simile ai sistemi biologici o naturali.

La freccia del tempo e la futura tecnologia quantistica

Oltre all'ingegneria, il lavoro solleva interrogativi più profondi sul perché il tempo sembri scorrere in un'unica direzione. L'irreversibilità – processi che non possono essere semplicemente riavvolti – è legata all'entropia, e lo studio suggerisce che sia l'atto dell'osservazione a rendere la misurazione del tempo quantistica veramente unidirezionale.

Come ha affermato il coautore della ricerca, Florian Meier: "Dimostrando che è l'atto della misurazione – non solo il ticchettio in sé – a dare al tempo la sua direzione, queste nuove scoperte tracciano una potente connessione tra la fisica dell'energia e la scienza dell'informazione".

Riferimenti alla notizia:

Entropic Costs of Extracting Classical Ticks from a Quantum Clock, published in Physical Review Letters, November 2025.