Quebrando Limites Termodinâmicos: O Futuro da Medição do Tempo

Um novo estudo revela que a precisão dos efeitos quânticos¹ é melhor do que o esperado. Este estudo surge enquanto pesquisadores da TU Wien e colaboradores utilizam a metrologia quântica para o relógio atômico.

Um relógio atômico usa as propriedades quânticas dos átomos para medir o tempo muito mais precisamente do que relógios convencionais. Esses cronômetros mais precisos do mundo são conhecidos por sua precisão sem precedentes ao usar lasers para medir as vibrações dos átomos, que oscilam em uma frequência constante.

Mas quando se trata das leis fundamentais da física quântica, sempre há alguma incerteza, portanto, espera‑se uma certa quantidade de ruído estatístico que precisa ser aceito. Esse ruído ou aleatoriedade impõe um limite à precisão alcançada.

Portanto, os relógios atômicos poderiam ser ainda mais precisos e, se puderem medir as vibrações atômicas com maior exatidão, seriam sensíveis o suficiente para identificar fenômenos como a matéria escura e ajudar a responder perguntas como qual efeito a gravidade pode ter sobre a passagem do tempo.

Curiosamente, acredita‑se que, para um relógio atômico ser mais preciso, ele precisa de mais energia para alcançar essa precisão.

Em 2021, um experimento² relatou um limite para a precisão dos relógios, com a natureza impondo um custo energético fundamental para manter o tempo. De acordo com a pesquisa, relógios que medem o tempo com mais precisão consomem mais energia do que seus equivalentes menos precisos.

Com um princípio fundamental da termodinâmica sendo que a energia sempre flui de objetos quentes para frios, reverter esse fluxo (como em uma geladeira) significa que devemos pagar por isso em outro lugar.

Portanto, um relógio que requer pelo menos o dobro de energia para ser duas vezes mais preciso parece ser uma lei imutável, até agora.

Uma equipe de cientistas da TU Wien, da Universidade de Malta e da Chalmers University of Technology demonstrou que, usando truques especiais, podemos aumentar a precisão exponencialmente.

O ponto chave aqui é usar duas escalas de tempo diferentes, assim como um relógio padrão tem um ponteiro de minutos e outro de segundos.

Como a Física Quântica está Redefinindo o Custo de Entropia do Tempo

Dispositivos físicos que operam fora do equilíbrio são influenciados por flutuações térmicas (desvios aleatórios de um sistema em relação ao seu estado médio), o que limita a precisão de sua operação. Esse problema é mais perceptível em escalas diminutas e quânticas, onde precisamos de dissipação de entropia para mitigá‑lo.

No caso dos relógios, um fluxo termodinâmico em direção ao equilíbrio é necessário para medir o tempo, resultando em uma dissipação mínima de entropia por tique.

Embora tanto os modelos clássicos quanto os modelos quânticos tendam a mostrar uma associação linear entre precisão e dissipação, a relação ainda não está tão clara.

Na busca pelos relógios atômicos mais precisos, que poderiam eventualmente transitar para energia nuclear no futuro, esses custos não são a preocupação mais urgente, mas para controle quântico pequeno e autônomo, a relação exata entre dissipação e precisão pode ser uma questão prática.

Com isso em mente, os pesquisadores apresentaram agora um modelo de relógio quântico autônomo que alcançou uma precisão que escala exponencialmente com a dissipação de entropia.

Essa conquista é possibilitada pelo transporte coerente em uma cadeia de spins com acoplamentos personalizados, onde a dissipação de entropia é restrita a um único elo, segundo o estudo. Os resultados mostram que a dinâmica quântica coerente pode superar os limites de precisão da termodinâmica tradicional, potencialmente ajudando o desenvolvimento de futuros dispositivos quânticos de baixa dissipação e alta precisão.

“Analisamos em princípio quais relógios poderiam ser teoricamente possíveis.”

– Professor Marcus Huber do Instituto Atômico da TU Wien

Ele explicou que há dois componentes que um relógio precisa. O primeiro é um gerador baseado no tempo, como uma oscilação quântica ou um pêndulo. O segundo é um contador, que é um elemento que conta as unidades de tempo, definidas pelo gerador de base temporal, que passaram.

O gerador de base temporal sempre retorna ao mesmo estado exato, ou o pêndulo está exatamente onde estava antes de completar uma oscilação.

Enquanto isso, em um relógio atômico, o átomo de césio retorna ao mesmo estado em que estava antes, após um certo número de oscilações. O contador, porém, deve mudar para que o relógio seja útil.

“Isso significa que todo relógio deve estar conectado a um processo irreversível. Na linguagem da termodinâmica, isso significa que todo relógio aumenta a entropia no universo; caso contrário, não é um relógio.”

– Florian Meier da TU Wien

Em um relógio de pêndulo, o pêndulo gera algum calor e desordem entre as moléculas de ar ao seu redor. No caso de um relógio atômico, cada feixe de laser que lê o estado do relógio gera calor, bem como radiação e, portanto, entropia. Segundo Marcus Huber:

“Agora podemos considerar quanta entropia um relógio hipotético com precisão extremamente alta teria que gerar – e, consequentemente, quanta energia tal relógio precisaria. Até agora, parecia haver uma relação linear: se você quer mil vezes mais precisão, tem que gerar pelo menos mil vezes mais entropia e gastar mil vezes mais energia.”

Mas a equipe da TU Wien, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Malta, da Chalmers University of Technology e da Academia Austríaca de Ciências (ÖAW), demonstrou agora que essa chamada regra pode ser contornada usando duas escalas de tempo diferentes.

Por exemplo, como Meier compartilhou, partículas que se movem de uma área para outra podem ser usadas para medir o tempo, assim como grãos de areia ao cair do topo do vidro para o fundo.

Uma série de tais dispositivos de medição de tempo pode ser conectada em série, e então você pode contar quantos deles já passaram. Isso seria semelhante a como o ponteiro maior do relógio conta o número de voltas que o ponteiro menor já completou.

“Dessa forma, você pode aumentar a precisão, mas não sem investir mais energia”, disse Marcus Huber. “Porque toda vez que um ponteiro do relógio completa uma rotação completa e o outro ponteiro é medido em um novo local – você poderia também dizer que toda vez que o ambiente ao seu redor percebe que esse ponteiro se moveu para um novo local – a entropia aumenta. Esse processo de contagem é irreversível.”

Outro tipo de transporte de partículas permitido pela física quântica é viajar por toda a estrutura. Aqui, as partículas atravessam o mostrador do relógio sem serem medidas.

Durante esse processo, a partícula, de certa forma, está em todo lugar sem uma localização claramente definida até que finalmente chega. É então que a partícula é medida, em um processo irreversível que aumenta a entropia.

Portanto, a equipe tem dois processos: um rápido que não resulta em entropia ou transporte quântico, e o outro onde as partículas chegam ao final.

“O ponto crucial do nosso método é que um ponteiro se comporta puramente em termos de física quântica, e somente o outro, mais lento, realmente tem um efeito gerador de entropia.”

– Yuri Minoguchi da TU Wien

A equipe demonstrou que a estratégia permite um aumento significativo na precisão a cada aumento de entropia, de modo que se pode alcançar uma precisão maior do que se pensava ser possível.

“Além disso, a teoria poderia ser testada no mundo real usando circuitos supercondutores, uma das tecnologias quânticas mais avançadas atualmente disponíveis.”

– Co‑autor do estudo Simone Gasparinetti, que lidera a equipe experimental na Chalmers

Huber chamou isso de um resultado crucial para a pesquisa em medições quânticas de alta precisão, bem como para suprimir flutuações indesejadas. Além disso, a pesquisa, observou Huber, “nos ajuda a entender melhor um dos grandes mistérios da física: a conexão entre física quântica e termodinâmica.”

Clique aqui para saber como o tório está impulsionando relógios nucleares ultra‑precisos.

O Futuro Impacto da Medição do Tempo Quântica na Humanidade

Um dos recursos mais preciosos para nós, humanos, é o tempo, que é limitado e irreversível. O tempo é fundamental para nossa existência e progresso.

Para acompanhar nosso tempo, as pessoas desenvolveram calendários e, à medida que as sociedades se tornaram mais complexas e tecnológicas, tornou‑se mais importante ter uma medição de tempo precisa.

O que a medição do tempo precisa é algo que oscila com um ritmo constante e outro elemento que conta esses batimentos e também exibe o horário.

Isso levou ao desenvolvimento de relógios, que se tornaram sofisticados ao longo do tempo com pêndulos e osciladores de quartzo.

De relógios de pulso a relógios usados em satélites, a maioria dos relógios modernos ainda mantém o tempo usando um oscilador de cristal de quartzo. Quando uma tensão é aplicada ao oscilador, ele vibra em uma frequência precisa, que funciona como o pêndulo em um relógio de pêndulo, marcando o tempo decorrido.

Mas o problema era que nenhum dois relógios eram iguais. E com o mundo se tornando mais integrado, havia necessidade de uma forma consistente e precisa de medir o tempo. Um relógio atômico foi uma solução natural.

O sonho do relógio atômico realmente começou há mais de um século, quando os cientistas James Maxwell e William Thompson propuseram a ideia.

Átomos são os blocos de construção básicos de toda a matéria. No núcleo dos átomos está o núcleo, que consiste em prótons e nêutrons, cercado por elétrons, que podem variar em número. Os elétrons estão dispostos em níveis de energia distintos, viajando em órbitas circulares ao redor do núcleo.

Com átomos absorvendo e emitindo ondas de luz de frequências específicas, os cientistas raciocinaram que átomos de um elemento específico são idênticos entre si e nunca mudam, portanto as frequências de luz que absorvem e emitem também não deveriam mudar.

Embora a ideia tenha surgido no final do século XIX, só muito depois que um relógio atômico foi realmente desenvolvido.

Acontece que a guerra costuma servir como um poderoso catalisador para avanços científicos e tecnológicos. Foi a guerra que levou a invenções como o forno de micro‑ondas, GPS, computadores e mais, que hoje têm efeitos profundos em nossas vidas diárias.

O relógio atômico também surgiu nesse período. Em 1939, o físico Isidor Rabi propôs que cientistas do National Institute of Standards and Technology (NIST) (o National Bureau of Standards (NBS) na época) utilizassem a recém‑desenvolvida técnica de ressonância magnética de feixe molecular, que fornecia medições precisas dos momentos magnéticos nucleares como padrão de tempo.

Ele então mediu a frequência na qual átomos de césio naturalmente absorvem e emitem micro‑ondas, que era cerca de 9,1914 bilhões de ciclos por segundo, e falou sobre isso anos depois, sendo descrito pelo NYT como um “pêndulo cósmico” que sintoniza “frequências de rádio nos corações dos átomos.”

Um relógio baseado em amônia foi demonstrado em 1949, mas acabou não sendo mais preciso que os existentes.

Com o tempo, novas inovações tecnológicas como bombeamento óptico, que criou sinais de ressonância magnética e absorção de micro‑ondas muito mais fortes, e interferometria de Ramsey, que era para espectroscopia de feixe molecular, levaram a avanços no campo e incentivaram outros grupos científicos a estudarem o mesmo.

Em 1975, o relógio atômico do NIST era preciso o suficiente para não ganhar nem perder um segundo em 400.000 anos, enquanto em 1993, seu relógio atômico tornou‑se ainda mais preciso, não ganhando nem perdendo um segundo em 6 milhões de anos.

Em 2019, a NASA desenvolveu o Deep Space Atomic Clock para ajudar a tornar a navegação de espaçonaves para locais distantes, como outros planetas, mais autônoma. Este terá um erro inferior a um nanosegundo após quatro dias e menos de um microssegundo após uma década, o que equivale a errar apenas um segundo a cada 10 milhões de anos.

O relógio atômico da NASA era cerca de 50 vezes mais estável que seus equivalentes nos satélites GPS, e isso foi alcançado com a ajuda de átomos de mercúrio.

O “valor preciso e estável” da diferença de energia entre órbitas “é realmente o ingrediente chave para relógios atômicos”, disse Eric Burt, físico de relógios atômicos no Jet Propulsion Laboratory (JPL) na época. “É a razão pela qual relógios atômicos podem alcançar um nível de desempenho além dos relógios mecânicos.”

O tipo de medição de tempo precisa que os relógios atômicos produzem não é necessário para a vida cotidiana, mas tem implicações profundas em muitas outras indústrias. Relógios atômicos realmente levaram a avanços em metrologia, comunicação, sistemas avançados de navegação e posicionamento baseado em satélite.

Agora, o conhecimento adquirido por meio da pesquisa mais recente pretende impulsionar muitos mais avanços. Espera‑se que seja extremamente benéfico em diversos setores, incluindo inteligência artificial (IA), robótica e outros campos emergentes.

Por exemplo, ao alimentar detectores avançados de ondas gravitacionais e satélites de monitoramento climático, relógios quânticos podem melhorar a detecção de sinais sutis do sistema terrestre. Eles também fornecem referências de tempo mais precisas que podem possibilitar novos níveis de medição para elevação do nível do mar, deslocamentos tectônicos e mapeamento subterrâneo.

No mundo da IA, entretanto, modelos que combinam dados com sensores distribuídos para fábricas inteligentes, agricultura de precisão ou negociação financeira podem se beneficiar de relógios atômicos precisos. Também pode ajudar em hardware de IA aprimorado quânticamente, onde a medição de tempo quântica pode estabilizar processadores quânticos propensos a erros usados para aprendizado de máquina. O controle confiável de qubits, afinal, depende de temporização precisa e coerência de fase.

De veículos autônomos a drones e robôs, todos dependem da navegação GPS e de relógios locais. Portanto, relógios quânticos altamente precisos podem viabilizar navegação ‘sem GPS’. Eles também podem ajudar enxames de robôs a coordenarem melhor tarefas complexas como mapeamento distribuído e busca‑resgate.

Comunicações é outro campo que pode se beneficiar muito desses relógios em termos de alcance e estabilidade. Redes sem fio e fotônicas futuras também se beneficiarão, pois requerem temporização ultra‑precisa para computação de borda de baixa latência e transferências de dispositivos.

Investindo na Indústria de Medição Avançada

Honeywell International (HON ) é líder em sistemas avançados de medição, incluindo dispositivos de temporização altamente precisos, tecnologias de relógios atômicos para aeroespacial e defesa, e até computação quântica através da Quantinuum, formada pela fusão da Cambridge Quantum e Honeywell. 

A empresa opera principalmente através de:

Tecnologias Aeroespaciais

• Fornece produtos, software e serviços para aeronaves.
• Atende fabricantes de equipamentos, transporte aéreo e setores de aviação.

Automação Industrial

• Fornece soluções de automação para operações inteligentes, sustentáveis e seguras.
• Alveja indústrias como petroquímicos e ciências da vida.

Automação Predial

• Oferece soluções para garantir instalações seguras e sustentáveis.

Soluções de Energia e Sustentabilidade

• Oferece capacidades de licenciamento integradas com ciência dos materiais e química.

Honeywell International (HON )

A Honeywell tem um valor de mercado de US$ 154,5 bilhões, com suas ações atualmente negociando em máximas recentes a US$ 241, alta de 6,4% no ano. Possui um EPS (TTM) de 8,70 e um P/E (TTM) de 27,62, enquanto o rendimento de dividendos oferecido é de 1,88%.

No primeiro trimestre de 2025, a empresa reportou vendas de US$ 9,8 bilhões e lucro por ação de US$ 2,22. Durante esse período, a Honeywell utilizou US$ 2,9 bilhões para recompra de ações, dividendos e despesas de capital.

“A Honeywell começou o ano excepcionalmente bem, superando as orientações em todas as métricas, liderada por um sólido crescimento orgânico. Pelo terceiro trimestre consecutivo, entregamos crescimento de backlog tanto sequencial quanto anual, impulsionado por taxas de pedidos saudáveis e demanda contínua dos clientes por nossas ofertas diferenciadas.”

– CEO Vimal Kapur

Conclusão

A medição do tempo aprimorada por quantum mostra que, com experimentos contínuos, até os limites mais fundamentais da física podem ser repensados. Com as pesquisas mais recentes, à medida que nossa compreensão da termodinâmica quântica avança, também avançará nossa capacidade de medir o tempo com grande precisão.

Ao combinar arquiteturas inteligentes e profundo conhecimento da entropia, os pesquisadores estão desafiando antigas suposições sobre custos de energia e entropia e abrindo caminho para uma nova era de sistemas hiper‑precisos com impactos de longo alcance na tecnologia, infraestrutura, ciência e no universo.

Estudos Referenciados:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Precisão Não é Limitada pela Segunda Lei da Termodinâmica. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Medindo o Custo Termodinâmico da Medição do Tempo. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029