Απείρως πιο ενεργοβόρο να το «κοιτάς» παρά να το κάνεις να λειτουργήσει

Η μετάβαση στον κόσμο των κβαντικών τεχνολογιών συχνά περιγράφεται σαν ένα άλμα στο μέλλον: ταχύτεροι υπολογιστές, ακριβέστεροι αισθητήρες, πλοήγηση που δεν επηρεάζεται από σήματα GPS. Ωστόσο, όσο πιο βαθιά βουτάει κανείς στον κβαντικό μικρόκοσμο, τόσο περισσότερο εμφανίζονται παράδοξα που γκρεμίζουν τις προσδοκίες.

Μία νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 14 Νοεμβρίου στο Physical Review Letters έρχεται να ανατρέψει ακόμη ένα από αυτά τα ιδεαλιστικά οράματα: το να «διαβάζεις» ένα κβαντικό ρολόι απαιτεί έως και ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από ό,τι χρειάζεται το ίδιο το ρολόι για να λειτουργήσει.

Η έρευνα, που πραγματοποιήθηκε από φυσικούς στο Oxford University, δεν είναι απλώς μια τεχνική παρατήρηση. Αναδεικνύει ένα ζήτημα που, όπως σημειώνουν οι συντάκτες της μελέτης, συχνά αγνοείται στην επιστημονική βιβλιογραφία: το ενεργειακό κόστος της μέτρησης σε κβαντικά συστήματα. Και αν αυτό ακούγεται σαν λεπτομέρεια, οι συνέπειες αγγίζουν το σύνολο των μελλοντικών κβαντικών τεχνολογιών, από αισθητήρες μέχρι κβαντικούς υπολογιστές.

Η επικεφαλής της μελέτης, Natalia Ares, εξηγεί ότι το εύρημα έρχεται σε αντίθεση με μια διαδεδομένη υπόθεση στην κοινότητα: ότι όσο μικρότερο και πιο «κβαντικό» είναι ένα ρολόι, τόσο λιγότερη ενέργεια θα χρειάζεται για να μετράει χρόνο. Αντίθετα, σύμφωνα με την Ares, οι κβαντικοί παλμοί του ρολογιού αποδεικνύονται μόνο η αρχή και το πραγματικό κόστος βρίσκεται στο να τους εντοπίσουμε.

Για να γίνει κατανοητό το μέγεθος της ανατροπής, χρειάζεται μια μικρή υπενθύμιση για τη θέση του χρόνου στην κβαντική φυσική. Σε αυτό το επίπεδο, ο χρόνος δεν αποτελεί «μετρήσιμη» ποσότητα με τον τρόπο που την αντιλαμβανόμαστε στην κλασική φυσική. Η επιρροή του εξασθενεί, γίνεται σχεδόν άυλη. Παρ’ όλα αυτά, οι πραγματικές συσκευές λειτουργούν σε έναν κόσμο όπου τα φαινόμενα εξελίσσονται με βάση τον χρόνο και αυτό σημαίνει ότι οι κβαντικές συσκευές εξακολουθούν να χρειάζονται ακριβή, εσωτερικά χρονόμετρα.

Το δεύτερο θεμέλιο του προβλήματος είναι το γνωστό πρόβλημα της μέτρησης, το οποίο έχει γίνει διάσημο με το παράδειγμα της γάτας του Schrödinger. Ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε πολλές πιθανές καταστάσεις ταυτόχρονα, μέχρι να το παρατηρήσουμε. Η πράξη της μέτρησης «επιλέγει» μια κατάσταση και καταρρέει την κβαντική αβεβαιότητα. Στην πράξη αυτό σημαίνει πως κάθε φορά που προσπαθούμε να κοιτάξουμε κάτι τόσο μικροσκοπικό όσο ένα κβαντικό ρολόι, επεμβαίνουμε ενεργειακά στο ίδιο το σύστημα.

Το πείραμα της ομάδας ήταν εξίσου ευφυές όσο και μινιμαλιστικό. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα κβαντικό ρολόι που βασιζόταν σε δύο ηλεκτρόνια, τα οποία πηγαινοέρχονταν ανάμεσα σε δύο περιοχές. Κάθε «άλμα» ενός ηλεκτρονίου αντιστοιχούσε σε έναν κβαντικό παλμό. Το έργο των επιστημόνων ήταν να μετρήσουν αυτούς τους παλμούς μέσω δύο ειδών σημάτων: ηλεκτρικών μικρορευμάτων και ραδιοκυμάτων. Στη συνέχεια, συνέκριναν την ενέργεια που παράγεται από την ίδια τη λειτουργία του ρολογιού με την ενέργεια που απαιτείται για να καταγραφούν οι παλμοί.

Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: η μέτρηση κατανάλωνε όχι απλώς περισσότερη ενέργεια, αλλά έως και ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερη από την ενέργεια που απαιτούσε η λειτουργία του ρολογιού. Επιπλέον, αυτή η επιπλέον ενέργεια αυξάνει την ακρίβεια του ρολογιού: όσο βαθύτερα «σκύβουμε» για να καταγράψουμε τα κβαντικά σήματα, τόσο πιο σταθερό και αξιόπιστο γίνεται το ίδιο το χρονόμετρο.

Η παρατήρηση αυτή ανοίγει νέα παράθυρα σε ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ερωτήματα της σύγχρονης φυσικής: μήπως ο χρόνος αποκτά «κατεύθυνση» μόνο όταν τον μετράμε; Ο Florian Meier, συν-συγγραφέας της μελέτης από την Technische Universität Wien, τονίζει ότι η εργασία συνδέει άμεσα την ενέργεια με την πληροφορία, μια σχέση που έχει συζητηθεί επί δεκαετίες αλλά τώρα αποκτά χειροπιαστά πειραματικά δεδομένα.

Από την τεχνολογική σκοπιά, η κατανόηση αυτών των φαινομένων έχει πρακτικό ενδιαφέρον. Ο Edward Laird, φυσικός στο University of Lancaster που δεν συμμετείχε στην έρευνα, επισημαίνει ότι τέτοιες γνώσεις μπορούν να βελτιώσουν τον συγχρονισμό πολύπλοκων λειτουργιών σε προηγμένους κβαντικούς υπολογιστές. Όμως το ενεργειακό κόστος της μέτρησης εγείρει σοβαρά εμπόδια στη δημιουργία αποδοτικών κβαντικών συσκευών, ιδιαίτερα σε έναν τομέα όπου η ενεργειακή σπατάλη είναι ήδη πρόβλημα.

Η μελέτη, λοιπόν, λειτουργεί σαν διπλή υπενθύμιση: η κβαντική τεχνολογία δεν θα ωριμάσει χωρίς να λυθούν βαθιά θεωρητικά προβλήματα, και παράλληλα, η πρόοδος δεν θα έρθει μόνο από καλύτερο hardware αλλά και από μια νέα κατανόηση των θεμελιωδών αρχών της φυσικής.