Une étude menée par l’université d’Oxford a réalisé une percée dans le domaine de la chronométrie quantique : les chercheurs ont découvert que l’acte de mesure lui-même constitue une source d’entropie surprenante dans les horloges quantiques. Ce résultat montre que l’énergie nécessaire pour « lire » une horloge quantique dépasse de très loin celle requise pour la faire fonctionner, une découverte aux implications majeures pour la conception des futures technologies quantiques. Les horloges classiques reposent sur des processus irréversibles pour marquer l’écoulement du temps, mais à l’échelle quantique ces processus sont faibles et le chronométrage devient difficile. Pour les dispositifs quantiques dépendant d’un chronométrage précis (capteurs, systèmes de navigation, etc.), l’efficacité énergétique des horloges internes est cruciale. Or, les principes thermodynamiques des horloges quantiques restaient jusqu’à présent mal compris.

L’équipe a construit une micro-horloge à partir d’un seul électron sautant entre deux régions nanométriques, chaque saut correspondant à un « tic-tac ». Pour détecter ces minuscules variations, deux méthodes ont été utilisées : mesure d’un courant très faible et détection par ondes radio des changements du système, toutes deux réalisant la transition du signal quantique au signal classique. Les calculs montrent que l’énergie nécessaire pour lire l’horloge quantique (convertir le signal faible en signal enregistrable) est un milliard de fois supérieure à celle consommée par l’horloge elle-même. Cette découverte remet en cause l’hypothèse, courante en physique quantique, selon laquelle le coût de la mesure est négligeable, et révèle que l’acte d’observation confère lui-même une direction au temps, le rendant irréversible.

Cette découverte renverse l’idée qu’une horloge plus efficace nécessite un meilleur système quantique ; elle met plutôt l’accent sur des méthodes de mesure plus intelligentes et moins énergivores. L’équipe souligne que cet écart énergétique n’est peut-être pas un défaut, mais une caractéristique : l’énergie supplémentaire de mesure peut fournir davantage d’informations sur le fonctionnement de l’horloge. Les co-auteurs indiquent que la prochaine étape consistera à explorer les principes d’efficacité des dispositifs à l’échelle nanométrique afin de concevoir des appareils autonomes plus performants en calcul et en chronométrage. Cette étude touche également à des questions profondes de la physique, comme la raison de la flèche du temps, en montrant que c’est l’acte de mesure qui confère une direction au temps, liant étroitement la physique de l’énergie à la science de l’information.