Como as propriedades peculiares das partículas quânticas podem ser exploradas para realizar medições extremamente precisas? Essa questão está no cerne da área de pesquisa da metrologia quântica. Um exemplo é o relógio atômico, que utiliza as propriedades quânticas dos átomos para medir o tempo com muito mais precisão do que seria possível com relógios convencionais.

No entanto, as leis fundamentais da física quântica sempre envolvem um certo grau de incerteza. Alguma aleatoriedade ou certo nível de ruído estatístico precisa ser aceito. Isso resulta em limites fundamentais para a precisão que pode ser alcançada. Até agora, parecia ser uma lei imutável que um relógio duas vezes mais preciso requer pelo menos o dobro de energia.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade Técnica de Viena, da Universidade Técnica de Chalmers, na Suécia, e da Universidade de Malta demonstrou que truques especiais podem ser usados para aumentar exponencialmente a precisão. O ponto crucial é usar duas escalas de tempo diferentes — semelhante a um relógio com ponteiros de segundos e minutos.

O artigo foi publicado na revista Nature Physics .

"Analisamos, em princípio, quais relógios seriam teoricamente possíveis", afirma o Prof. Marcus Huber, do Instituto Atômico da Universidade Técnica de Viena. "Todo relógio precisa de dois componentes: primeiro, um gerador de base de tempo, como um pêndulo em um relógio de pêndulo, ou mesmo uma oscilação quântica. E, segundo, um contador — qualquer elemento que conta quantas unidades de tempo definidas pelo gerador de base de tempo já passaram."

O gerador de base de tempo sempre pode retornar exatamente ao mesmo estado. Após uma oscilação completa, o pêndulo de um relógio de pêndulo está exatamente onde estava antes. Após um certo número de oscilações, o átomo de césio em um relógio atômico retorna exatamente ao mesmo estado em que estava antes. O contador, por outro lado, precisa mudar — caso contrário, o relógio é inútil.

"Isso significa que todo relógio deve estar conectado a um processo irreversível", diz Florian Meier, da Universidade Técnica de Viena. "Na linguagem da termodinâmica, isso significa que todo relógio aumenta a entropia no universo; caso contrário, não é um relógio." O pêndulo de um relógio de pêndulo gera um pouco de calor e desordem entre as moléculas de ar ao seu redor, e cada feixe de laser que lê o estado de um relógio atômico gera calor, radiação e, portanto, entropia.

"Agora podemos considerar quanta entropia um relógio hipotético com altíssima precisão teria que gerar — e, consequentemente, quanta energia esse relógio precisaria", diz o Prof. Huber. "Até agora, parecia haver uma relação linear: se você quer mil vezes mais precisão, precisa gerar pelo menos mil vezes mais entropia e gastar mil vezes mais energia."

No entanto, a equipe de pesquisa da TU Wien, juntamente com a Academia Austríaca de Ciências (ÖAW) em Viena e as equipes da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, e da Universidade de Malta, mostraram agora que essa regra aparente pode ser contornada usando duas escalas de tempo diferentes.

"Por exemplo, você pode usar partículas que se movem de uma área para outra para medir o tempo, semelhante a como grãos de areia indicam o tempo caindo do topo de um copo para o fundo", diz Meier. Você pode conectar uma série completa desses dispositivos de medição de tempo em série e contar quantos deles já passaram — semelhante a como um ponteiro de relógio conta quantas voltas o outro ponteiro já deu.

"Dessa forma, é possível aumentar a precisão, mas não sem investir mais energia", diz o Prof. Huber. "Porque cada vez que um ponteiro do relógio completa uma rotação completa e o outro ponteiro é medido em um novo local — ou seja, cada vez que o ambiente ao redor percebe que esse ponteiro se moveu para um novo local — a entropia aumenta. Esse processo de contagem é irreversível."

No entanto, a física quântica também permite outro tipo de transporte de partículas: as partículas também podem viajar por toda a estrutura, ou seja, por todo o mostrador do relógio, sem serem medidas em lugar nenhum. De certa forma, a partícula está em todos os lugares ao mesmo tempo durante esse processo; ela não tem uma localização claramente definida até finalmente chegar — e só então é realmente medida, em um processo irreversível que aumenta a entropia.

"Portanto, temos um processo rápido que não causa entropia — o transporte quântico — e um lento, ou seja, a chegada da partícula bem no final", explica Yuri Minoguchi, da TU Wien. "O ponto crucial do nosso método é que um lado se comporta puramente em termos de física quântica, e apenas o outro, mais lento, tem um efeito gerador de entropia."

A equipe conseguiu demonstrar que essa estratégia permite um aumento exponencial na precisão a cada aumento na entropia. Isso significa que é possível alcançar uma precisão muito maior do que se pensava ser possível segundo teorias anteriores.

"Além disso, a teoria pode ser testada no mundo real usando circuitos supercondutores, uma das tecnologias quânticas mais avançadas atualmente disponíveis", diz Simone Gasparinetti, coautora do estudo e líder da equipe experimental em Chalmers.

"Este é um resultado importante para a pesquisa em medições quânticas de alta precisão e a supressão de flutuações indesejadas", diz o Prof. Huber, "e, ao mesmo tempo, nos ajuda a entender melhor um dos grandes mistérios não resolvidos da física: a conexão entre a física quântica e a termodinâmica."