Nový výzkum z Oxfordské univerzity odhaluje kontraintuitivní realitu v kvantovém měření času: energie potřebná k měření kvantových hodin výrazně převyšuje energii potřebnou k jejich provozu. Tato zjištění, zveřejněná v Physical Review Letters, zpochybňují dlouholeté přesvědčení o účinnosti kvantových systémů a mají významné důsledky pro vývoj budoucích kvantových technologií.
Paradox kvantových hodin
Tradiční hodiny, ať už kyvadlové nebo atomové, spoléhají na nevratné procesy k udržení času. V kvantovém měřítku však tyto procesy zeslábnou nebo téměř neexistují, což ztěžuje přesné měření času. Výzkumníci se dlouho snažili vytvořit efektivnější kvantové hodiny a předpokládali, že vylepšení základních kvantových systémů přinese největší zisky. Nový výzkum ukazuje, že skutečným úzkým místem nejsou hodinky samotné, ale samotné sledování.
Jak měření vede ke ztrátě energie
Oxfordský tým sestrojil mikroskopické hodiny využívající jednotlivé elektrony přeskakující mezi dvěma oblastmi nanoměřítek (dvojitá kvantová tečka). Každý skok představuje „tik“. K detekci těchto klíšťat použili dvě metody: měření drobných elektrických proudů a použití rádiových vln k detekci změn v systému. Obě metody převádějí kvantové signály na klasická data – kvantově-klasický přechod.
Jejich výpočty ukázaly, že energie potřebná k přečtení kvantových hodin je miliardkrát větší než energie spotřebovaná samotnými hodinami. To vyvrací předpoklad, že náklady na měření v kvantové fyzice lze ignorovat. Ukazuje se, že je to právě akt pozorování, který udává směr času, takže je nevratný.
Důsledky pro budoucí kvantová zařízení
Tento objev neznamená, že efektivnější hodiny vyžadují lepší kvantové systémy. Místo toho by se výzkum měl zaměřit na chytřejší a energeticky účinnější metody měření. Jak vysvětluje hlavní autorka profesorka Natalia Ares (University of Oxford), “Očekávalo se, že kvantové hodiny v nejmenším měřítku sníží energetické náklady na měření času, ale náš nový experiment ukazuje nečekaný zvrat. V kvantových hodinkách kvantová klíšťata výrazně převyšují mechanická klíšťata.”
Nevyváženost však může být spíše vlastností než chybou. Přebytečná energie z měření může poskytnout podrobnější informace o chování hodin, což potenciálně umožňuje vysoce přesné měření času. Spoluautor Vivek Wadia (University of Oxford) zdůrazňuje, že „entropie produkovaná zesilováním a měřením taktů hodin… je nejdůležitější a základní termodynamickou cenou měření času v kvantovém měřítku.“
Za dimenzí času: Základní porozumění
Tento výzkum se dotýká hlubších otázek ve fyzice, včetně směru času. Tím, že demonstrují, že směr času určují nejen měření, ale i měření, spojují tyto výsledky energetickou fyziku s informační vědou. Spoluautor Florian Mayer (TU Wien) navrhuje, že dalším krokem je pochopit principy účinnosti v nanozařízeních, abychom mohli navrhovat autonomní zařízení, která počítají a měří čas efektivněji, stejně jako to dělá příroda.
Studie zdůrazňuje zásadní vhled: v kvantovém světě akt poznání zásadně mění pozorovaný systém. Tento vhled má dalekosáhlé důsledky mimo měření času a rozšiřuje se na jakékoli kvantové technologie, které spoléhají na přesná měření.
