Gli orologi sono elementi costitutivi essenziali della tecnologia moderna, dai computer ai ricevitori GPS. Sono anche essenzialmente motori, consumare irreversibilmente risorse per generare tick precisi. Ma quali risorse devono essere spese per raggiungere la precisione desiderata? Nel nostro ultimo studio, pubblicato in Revisione fisica X , rispondiamo a questa domanda misurando, per la prima volta, l'entropia generata da un clock minimo.

Gli esseri umani hanno padroneggiato l'arte del cronometraggio con una precisione di circa un secondo ogni cento milioni di anni. Però, il costo termodinamico del cronometraggio, cioè la sua produzione di entropia, è rimasto fino a questo punto inesplorato.

Il nostro esperimento rivela che più caldo è l'orologio, quanto più preciso è il cronometraggio, una previsione che dovrebbe valere solo per i sistemi quantistici. Comprendere il costo termodinamico coinvolto nel cronometraggio è un passo centrale lungo la strada nello sviluppo delle tecnologie future, e comprendere e testare la termodinamica mentre i sistemi si avvicinano al regno quantistico.

In collaborazione con il prof. Marcus Huber dell'Atominstitut, TUWien, Dr. Paul Erker e Dr. Yelena Guryanova presso l'Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), e il dottor Edward Laird dell'Università di Lancaster, i miei colleghi, Dott.ssa Anna Pearson e prof. Andrew Briggs, e ho disegnato un orologio classico, con sintonizzabile precisione, per misurare la produzione di entropia.

Il nostro orologio è costituito da una membrana vibrante integrata in un circuito elettronico:ogni oscillazione della membrana fornisce un tick. Le risorse che guidano l'orologio sono il calore fornito alla membrana e il lavoro elettrico utilizzato per misurarlo. In operazione, l'orologio converte queste risorse in calore disperso, generando così entropia. Misurando questa entropia, possiamo quindi dedurre la quantità di risorse consumate.

Aumentando l'energia, o "calore, " nel segnale di ingresso, siamo stati in grado di aumentare l'ampiezza delle vibrazioni e di conseguenza migliorare la precisione delle misurazioni della membrana. Il nostro team ha scoperto che il costo dell'entropia, stimato misurando il calore perso nel circuito della sonda, aumentava linearmente con la precisione, in accordo con il comportamento dell'orologio quantistico.

Il nostro esperimento rivela i costi termodinamici del cronometraggio. Esiste una relazione tra l'accuratezza di un orologio e la sua produzione di entropia; non esiste un minuto libero, almeno se vuoi misurarlo.

Per la prima volta, abbiamo mostrato una relazione tra l'accuratezza di un orologio e la sua produzione di entropia, che sebbene derivato per sistemi quantistici aperti, vale nel nostro sistema nanoelettromeccanico.

I nostri risultati supportano l'idea che l'entropia non è solo una firma della freccia del tempo, o un prerequisito per misurare lo scorrere del tempo, ma un limite fondamentale alle prestazioni dell'orologio.

La relazione tra accuratezza ed entropia potrebbe essere usata per approfondire la nostra comprensione della natura del tempo, e relative limitazioni nell'efficienza del motore su scala nanometrica.

Il nostro dispositivo potrebbe consentirci di indagare sul particolare compromesso previsto tra precisione dell'orologio, che come abbiamo mostrato è legato alle risorse termodinamiche disponibili, e tasso di tick. Questo compromesso significa che, per una data risorsa, un orologio può avere una bassa precisione e un'elevata frequenza di tick o alta precisione ma basse frequenze di tick.