Rel�gios at�micos multiplicam precis�o rompendo limite do gasto de energia

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/06/2025

Impressão artística do Relógio em Anel, construído a partir de um anel de átomos, permitindo uma cronometragem ultraprecisa. Uma única partícula quântica circula o anel de forma coerente - cada volta é um tique-taque - permitindo que o relógio supere as limitações termodinâmicas dos relógios clássicos.[Imagem: Alexander Rommel/TU Wien]

Relógios quânticos mais precisos

Uma equipe de físicos e engenheiros da Áustria, Malta e Suécia descobriu que os relógios atômicos, que já são de longe os aparatos mais precisos que existem, podem dar um salto de precisão sem precisar gastar uma enormidade de energia.

Florian Meier e seus colegas demonstraram que é possível exceder de longe os limites de precisão assumidos até agora, aumentando exponencialmente a precisão temporal. Isso irá não apenas abrir caminho para a próxima geração de medições de alta precisão e monitoramento de eventos ultrarrápidos, como também lança uma luz sobre um dos maiores mistérios da física: A conexão entre a física quântica e a termodinâmica.

Os relógios atômicos funcionam com base nas leis fundamentais da física quântica, mas essas leis sempre envolvem um grau de incerteza. Com isso, é necessário conviver com alguma aleatoriedade, um determinado nível de ruído estatístico, o que resulta, no caso dos relógios, em limites fundamentais para a precisão que pode ser alcançada para um determinado gasto energético.

Asssim, até agora parecia ser uma lei imutável que construir um relógio duas vezes mais preciso do que o anterior iria requerer pelo menos o dobro de energia.

O que a equipe demonstrou agora é que essa regra pode ser contornada de modo a aumentar a precisão de um relógio atômico exponencialmente, bastando para isso construir um relógio atômico usando duas escalas de tempo diferentes - semelhante ao que acontece em um relógio comum, que tem um ponteiro de segundos e um ponteiro de minutos.

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O relógio consiste em um anel de n sistemas quânticos (os "copos") que hospedam uma única excitação que percorre o anel. Ao completar um ciclo, o relógio tiquetaqueia passando por um salto do último para o primeiro sítio.[Imagem: Florian Meier et al. - 10.1038/s41567-025-02929-2]

Por que medir o tempo aumenta a entropia?

Para entender a relação entre precisão na medição do tempo e consumo de energia, é preciso lembrar que medir o tempo aumenta a entropia do Universo.

Qualquer relógio é constituído por dois componentes, um gerador de base de tempo, que pode ser um pêndulo ou as oscilações de um átomo, e um contador, qualquer mecanismo que conte quantas vezes transcorreu aquela unidade base do tempo.

O gerador de base de tempo pode sempre 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, deve mudar, caso contrário o relógio será inútil.

"Isso significa que todo relógio deve estar conectado a um processo irreversível," explica o professor Florian Meier, da Universidade Técnica de Viena. "Na linguagem da termodinâmica, isso significa que todo relógio aumenta a entropia, ou dispersão de energia, no Universo; caso contrário, não é um relógio."

O pêndulo de um relógio clássico gera um pouco de calor e desordem entre as moléculas do ar ao seu redor, e cada raio 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," detalha o professor Marcus 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."

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As estrelas da precisão atual, que também se beneficiarão desta descoberta, são os relógios quânticos ópticos.[Imagem: Physikalisch-Technische Bundesanstalt]

Como aumentar a precisão sem aumentar a entropia

Acontece que agora tudo mudou. Embora aquele arrazoado da seção anterior continue valendo, a equipe descobriu que é possível contorná-lo com um truque simples: Usar duas escalas temporais diferentes, assim como um relógio analógico tem ponteiros de minutos e segundos.

Na verdade, é possível acrescentar uma série completa de dispositivos secundários de medição de tempo, e então contar quantos deles já passaram - semelhante a como um ponteiro de minutos conta quantas voltas o ponteiro de segundos já deu, ou o ponteiro de horas conta quantas voltas o ponteiro de minutos completou.

Em um relógio clássico, esse aumento de escalas também aumenta a entropia, gerada quando um ponteiro se desloca para um novo local conforme o outro deu uma volta. Ou seja, aumentar a precisão exige gastar mais energia. No entanto, a física quântica também permite outro tipo de transporte de partículas: As partículas 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, ou seja, só esta parte de todo o processo é irreversível, aumentando a entropia.

"Deste modo, 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, membro da equipe. "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."

O resultado é que essa estratégia permite um aumento exponencial na precisão do relógio atômico a cada aumento na entropia. Isso significa que pode-se alcançar uma precisão muito maior do que se pensava seguindo as teorias anteriores.

"Este é um resultado importante para a pesquisa sobre medições quânticas de alta precisão e supressão de flutuações indesejadas 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," concluiu Huber.

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