Los relojes son componentes esenciales de la tecnología moderna, desde computadoras hasta receptores GPS. También son esencialmente motores, consumiendo recursos de forma irreversible para generar ticks precisos. Pero, ¿qué recursos hay que gastar para lograr la precisión deseada? En nuestro último estudio, publicado en Revisión física X , respondemos a esta pregunta midiendo, por primera vez, la entropía generada por un reloj mínimo.

Los seres humanos han dominado el arte del cronometraje con una precisión de aproximadamente un segundo cada cien millones de años. Sin embargo, el costo termodinámico del cronometraje, es decir, su producción de entropía, hasta este momento ha sido inexplorado.

Nuestro experimento revela que cuanto más caliente es el reloj, cuanto más preciso sea el cronometraje, una predicción que solo se espera que sea válida para los sistemas cuánticos. Comprender el costo termodinámico involucrado en el cronometraje es un paso central en el camino en el desarrollo de tecnologías futuras, y comprender y probar la termodinámica a medida que los sistemas se acercan al reino cuántico.

En colaboración con el profesor Marcus Huber en Atominstitut, TUWien, Dr. Paul Erker y Dra. Yelena Guryanova en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQOQI), y el Dr. Edward Laird de la Universidad de Lancaster, mis colegas, Dra. Anna Pearson y el profesor Andrew Briggs, y diseñé un reloj clásico, con precisión sintonizable, para medir la producción de entropía.

Nuestro reloj consta de una membrana vibratoria integrada en un circuito electrónico:cada oscilación de la membrana proporciona un tic. Los recursos que impulsan el reloj son el calor suministrado a la membrana y el trabajo eléctrico utilizado para medirlo. En la operación, el reloj convierte estos recursos en calor residual, generando así entropía. Midiendo esta entropía, por tanto, podemos deducir la cantidad de recursos consumidos.

Al aumentar la energía, o "calor, "en la señal de entrada, pudimos aumentar la amplitud de las vibraciones y, a su vez, mejorar la precisión de las mediciones de la membrana. Nuestro equipo descubrió que el costo de la entropía, estimado midiendo la pérdida de calor en el circuito de la sonda, aumentaba linealmente con la precisión, de acuerdo con el comportamiento del reloj cuántico.

Nuestro experimento revela los costos termodinámicos del cronometraje. Existe una relación entre la precisión de un reloj y su producción de entropía; no existe el minuto libre, al menos si quiere medirlo.

Por primera vez, hemos mostrado una relación entre la precisión de un reloj y su producción de entropía, que aunque derivado de sistemas cuánticos abiertos, es cierto en nuestro sistema nanoelectromecánico.

Nuestros resultados apoyan la idea de que la entropía no es solo una firma de la flecha del tiempo, o un requisito previo para medir el paso del tiempo, pero un límite fundamental en el rendimiento del reloj.

La relación entre precisión y entropía podría usarse para ampliar nuestra comprensión de la naturaleza del tiempo, y limitaciones relacionadas en la eficiencia del motor a nanoescala.

Nuestro dispositivo podría permitirnos investigar la compensación particular predicha entre la precisión del reloj, que, como mostramos, está vinculado a los recursos termodinámicos disponibles, y tasa de tick. Esta compensación significa que, para un recurso dado, un reloj puede tener baja precisión y alta tasa de tictac o alta precisión pero baja tasa de tic.