Les horloges sont des éléments essentiels de la technologie moderne, des ordinateurs aux récepteurs GPS. Ce sont aussi essentiellement des moteurs, consommant de manière irréversible des ressources afin de générer des ticks précis. Mais quelles ressources doivent être dépensées pour atteindre la précision souhaitée ? Dans notre dernière étude, Publié dans Examen physique X , nous répondons à cette question en mesurant, pour la première fois, l'entropie générée par une horloge minimale.

Les humains ont maîtrisé l'art du chronométrage avec une précision d'environ une seconde tous les cent millions d'années. Cependant, le coût thermodynamique du chronométrage, c'est-à-dire sa production d'entropie, est jusqu'à présent inexploré.

Notre expérience révèle que plus l'horloge est chaude, plus le chronométrage est précis, une prédiction qui ne devrait être valable que pour les systèmes quantiques. Comprendre le coût thermodynamique impliqué dans le chronométrage est une étape centrale dans le développement des technologies futures, et comprendre et tester la thermodynamique à mesure que les systèmes approchent du domaine quantique.

En collaboration avec le Pr Marcus Huber de l'Atominstitut, TUWien, Dr Paul Erker et Dr Yelena Guryanova à l'Institut d'optique quantique et d'information quantique (IQOQI), et le Dr Edward Laird de l'Université de Lancaster, mes collègues, Dr Anna Pearson et Prof Andrew Briggs, et j'ai conçu une horloge classique, avec une précision réglable, pour mesurer la production d'entropie.

Notre horloge est constituée d'une membrane vibrante intégrée dans un circuit électronique :chaque oscillation de la membrane fournit un tick. Les ressources qui font fonctionner l'horloge sont la chaleur fournie à la membrane et le travail électrique utilisé pour la mesurer. En opération, l'horloge convertit ces ressources en chaleur perdue, générant ainsi de l'entropie. En mesurant cette entropie, on peut donc en déduire la quantité de ressources consommées.

En augmentant l'énergie, ou "chaleur, " dans le signal d'entrée, nous avons pu augmenter l'amplitude des vibrations et ainsi améliorer la précision des mesures membranaires. Notre équipe a constaté que le coût d'entropie - estimé en mesurant la chaleur perdue dans le circuit de la sonde - augmentait linéairement avec la précision, en accord avec le comportement de l'horloge quantique.

Notre expérience révèle les coûts thermodynamiques du chronométrage. Il existe une relation entre la précision d'une horloge et sa production d'entropie; il n'y a pas de minute gratuite, du moins si vous voulez la mesurer.

Pour la première fois, nous avons montré une relation entre la précision d'une horloge et sa production d'entropie, qui bien que dérivé pour les systèmes quantiques ouverts, est vrai dans notre système nanoélectromécanique.

Nos résultats soutiennent l'idée que l'entropie n'est pas seulement une signature de la flèche du temps, ou un prérequis pour mesurer le temps qui passe, mais une limite fondamentale sur les performances de l'horloge.

La relation entre la précision et l'entropie pourrait être utilisée pour approfondir notre compréhension de la nature du temps, et les limitations connexes de l'efficacité des moteurs à l'échelle nanométrique.

Notre appareil pourrait nous permettre d'étudier le compromis particulier prédit entre la précision de l'horloge, qui comme nous l'avons montré est liée aux ressources thermodynamiques disponibles, et le taux de coche. Ce compromis signifie que, pour une ressource donnée, une horloge peut avoir une faible précision et un taux de tick élevé ou une précision élevée mais des taux de tick faibles.