Новое исследование Оксфордского университета раскрывает контринтуитивную реальность в квантовом измерении времени: энергия, необходимая для измерения квантовых часов, значительно превышает энергию, необходимую для их работы. Опубликованные в Physical Review Letters, эти данные ставят под сомнение устоявшиеся представления об эффективности квантовых систем и имеют значительные последствия для разработки будущих квантовых технологий.
Парадокс квантовых часов
Традиционные часы, будь то маятниковые или атомные, полагаются на необратимые процессы для отсчета времени. Однако в квантовом масштабе эти процессы становятся слабыми или почти отсутствуют, что затрудняет точное измерение времени. Исследователи долгое время стремились к созданию более эффективных квантовых часов, предполагая, что улучшения в базовых квантовых системах дадут наибольший прирост. Новое исследование демонстрирует, что настоящее узкое место заключается не в самих часах, а в акте наблюдения.
Как измерение приводит к рассеянию энергии
Оксфордская команда построила микроскопические часы, используя одиночные электроны, перескакивающие между двумя наноразмерными областями (двойной квантовый дот). Каждый скачок представляет собой «тик». Для обнаружения этих тиков они использовали два метода: измерение крошечных электрических токов и использование радиоволн для определения изменений в системе. Оба метода преобразуют квантовые сигналы в классические данные — квантово-классический переход.
Их расчеты показали, что энергия, необходимая для считывания квантовых часов, в миллиард раз больше, чем энергия, потребляемая самими часами. Это опровергает предположение о том, что затраты на измерения в квантовой физике можно игнорировать. Оказывается, именно сам акт наблюдения придает времени направление, делая его необратимым.
Последствия для будущих квантовых устройств
Это открытие не означает, что более эффективные часы требуют лучших квантовых систем. Вместо этого исследования должны быть сосредоточены на более умных и энергоэффективных методах измерения. Как объясняет ведущий автор профессор Наталия Арес (Оксфордский университет), «Ожидалось, что квантовые часы в наименьшем масштабе снизят энергетические затраты на измерение времени, но наш новый эксперимент показывает неожиданный поворот. В квантовых часах квантовые тики значительно превышают механические».
Однако дисбаланс может быть особенностью, а не недостатком. Избыточная энергия от измерения может предоставить более подробную информацию о поведении часов, потенциально обеспечивая высокоточное измерение времени. Соавтор Вивек Вадия (Оксфордский университет) подчеркивает, что «энтропия, производимая усилением и измерением тиков часов… является наиболее важной и фундаментальной термодинамической стоимостью измерения времени в квантовом масштабе».
За пределами измерения времени: фундаментальное понимание
Это исследование затрагивает более глубокие вопросы в физике, включая направление времени. Демонстрируя, что измерение, а не просто тиканье, определяет направление времени, эти результаты связывают физику энергии с наукой об информации. Соавтор Флориан Майер (TU Wien) предполагает, что следующим шагом будет понимание принципов эффективности в наноустройствах, чтобы мы могли проектировать автономные устройства, которые более эффективно вычисляют и измеряют время, как это делает природа.
Исследование подчеркивает критическое понимание: в квантовом мире акт познания фундаментально изменяет наблюдаемую систему. Это понимание имеет далеко идущие последствия, выходящие за рамки измерения времени и распространяющиеся на любые квантовые технологии, полагающиеся на точные измерения.
