El sorprendente coste energético de medir el tiempo cuántico revoluciona la relojería del futuro
Un equipo internacional de investigadores, liderado por la Universidad de Oxford, ha desvelado un hallazgo inesperado en el campo de la relojería cuántica que podría transformar el diseño y la eficiencia de las futuras tecnologías cuánticas. Según el estudio, publicado el 14 de noviembre en la prestigiosa revista Physical Review Letters, la energía necesaria para medir el tiempo en un reloj cuántico puede superar con creces la utilizada para mantenerlo en funcionamiento, un descubrimiento que pone en cuestión los fundamentos de la metrología cuántica y la eficiencia energética de estos dispositivos.
El estudio se centra en la entropía, una magnitud física asociada al desorden y la pérdida de energía en sistemas aislados. Tradicionalmente, los científicos han asumido que la mayor fuente de entropía en un reloj cuántico residía en su funcionamiento interno, es decir, en los procesos que permiten que el reloj avance y mantenga una cuenta precisa del tiempo. Sin embargo, el equipo de Oxford ha demostrado, mediante cálculos rigurosos y experimentos controlados, que el simple acto de observar o medir la hora en un sistema cuántico genera una cantidad de entropía mucho mayor de lo esperado. Este fenómeno, lejos de ser anecdótico, podría tener profundas consecuencias en la arquitectura de los futuros relojes atómicos y otros dispositivos cuánticos en desarrollo.
La investigación se basa en el análisis de relojes cuánticos ideales, cuyo funcionamiento depende de la evolución precisa de estados cuánticos en átomos o partículas subatómicas. Estos sistemas son la base de los relojes atómicos modernos, que emplean oscilaciones de átomos como el cesio o el rubidio para marcar el tiempo con una precisión extrema. Los relojes atómicos, utilizados por agencias como la NASA o la ESA para la navegación y la sincronización de satélites, han sido históricamente la referencia última de la medición temporal.
No obstante, la transición hacia la computación y la comunicación cuántica ha despertado un interés renovado en el perfeccionamiento de estos relojes, abriendo la puerta a dispositivos aún más precisos y eficientes. En este contexto, el hallazgo de la Universidad de Oxford supone un reto inesperado: si la medición cuántica introduce un coste energético tan elevado, puede limitar la escalabilidad y eficiencia de las tecnologías basadas en el control preciso del tiempo.
El equipo ha demostrado que, en los sistemas cuánticos, la medición no es un proceso pasivo. Cuando un observador mide el estado de un reloj cuántico, el sistema sufre una alteración inevitable, descrita por las leyes de la mecánica cuántica, que genera entropía y, por tanto, requiere una disipación de energía. Este proceso, conocido como «colapso de la función de onda», es fundamental en la interpretación de la física cuántica desde los tiempos de Niels Bohr y Werner Heisenberg, pero su impacto energético había sido subestimado hasta ahora.
Las implicaciones de este descubrimiento van mucho más allá de la relojería. En la era de la información, donde la computación cuántica y las redes cuánticas prometen revolucionar la transmisión y el procesamiento de datos, la gestión eficiente de la energía se convierte en un aspecto crucial. Empresas líderes como IBM y Google, así como startups europeas y asiáticas, compiten por lograr ordenadores cuánticos cada vez más potentes y sostenibles. El coste energético de la medición cuántica podría convertirse en un cuello de botella para estos desarrollos, obligando a los ingenieros a diseñar sistemas que minimicen la necesidad de observaciones o busquen formas innovadoras de recuperar la energía perdida.
El estudio de Oxford también ha captado la atención de agencias espaciales y compañías privadas involucradas en la exploración y el turismo espacial, como SpaceX, Blue Origin, Virgin Galactic, y la española PLD Space. Todas ellas dependen de sistemas de navegación y cronometraje de máxima precisión, tanto para vuelos suborbitales como para misiones interplanetarias o el control de satélites. En este sentido, la gestión eficiente del tiempo y la energía es vital, especialmente en el espacio, donde los recursos son limitados y cada gramo cuenta.
Por otro lado, la búsqueda de exoplanetas y la caracterización de sus atmósferas, liderada por telescopios como el James Webb de la NASA y las agencias europeas, exige relojes ultrastables capaces de detectar variaciones minúsculas en la luz de estrellas lejanas. Si el coste energético de la medición cuántica no se controla, podría limitar la sensibilidad de estos instrumentos y dificultar el descubrimiento de mundos habitables más allá del Sistema Solar.
En resumen, el trabajo realizado por el equipo de Oxford marca un antes y un después en la comprensión de la relojería cuántica y pone en evidencia que el futuro de la tecnología cuántica pasa no solo por mejorar la precisión, sino también por optimizar el consumo energético asociado a la observación y el control. El reto, ahora, es diseñar nuevas estrategias que permitan aprovechar las ventajas de la física cuántica sin incurrir en costes prohibitivos, abriendo así la puerta a una nueva generación de relojes y dispositivos más eficientes.
(Fuente: SpaceDaily)
