Нове дослідження Оксфордського університету розкриває суперечливу реальність квантового вимірювання часу: енергія, необхідна для вимірювання квантових годинників, значно перевищує енергію, необхідну для їх роботи. Ці висновки, опубліковані в Physical Review Letters, кидають виклик давнім уявленням про ефективність квантових систем і мають значний вплив на розвиток квантових технологій майбутнього.
Парадокс квантового годинника
Традиційні годинники, будь то маятникові чи атомні, покладаються на незворотні процеси, щоб зберегти час. Однак у квантовому масштабі ці процеси стають слабкими або майже не існують, що ускладнює точне вимірювання часу. Дослідники давно прагнули створити більш ефективні квантові годинники, передбачаючи, що вдосконалення базових квантових систем принесе найбільші переваги. Нове дослідження показує, що справжнім вузьким місцем є не сам годинник, а сам процес перегляду.
Як вимірювання призводить до розсіювання енергії
Оксфордська команда побудувала мікроскопічний годинник, використовуючи одиничні електрони, що стрибають між двома нанорозмірними областями (подвійна квантова точка). Кожен стрибок означає «галочку». Вони використовували два методи для виявлення цих кліщів: вимірювання крихітних електричних струмів і використання радіохвиль для виявлення змін у системі. Обидва методи перетворюють квантові сигнали в класичні дані — квантово-класичний перехід.
Їхні розрахунки показали, що енергія, необхідна для читання квантового годинника, у мільярд разів перевищує енергію, яку споживає сам годинник. Це спростовує припущення про те, що вартістю вимірювань у квантовій фізиці можна ігнорувати. Виявляється, саме акт спостереження дає напрямок часу, роблячи його незворотнім.
Наслідки для майбутніх квантових пристроїв
Це відкриття не означає, що для ефективніших годинників потрібні кращі квантові системи. Натомість дослідження мають зосередитися на розумніших, більш енергоефективних методах вимірювання. Як пояснює провідний автор, професор Наталія Арес (Оксфордський університет): “Очікувалося, що квантові годинники в найменшому масштабі зменшать витрати енергії на вимірювання часу, але наш новий експеримент демонструє несподіваний поворот. У квантових годинниках квантові тики значно перевищують механічні тики”.
Однак дисбаланс може бути радше особливістю, ніж недоліком. Надлишок енергії від вимірювання може надати більш детальну інформацію про поведінку годинника, потенційно дозволяючи високоточне вимірювання часу. Співавтор Вівек Вадія (Оксфордський університет) наголошує, що «ентропія, вироблена підсиленням і вимірюванням тактів годинника… є найважливішою і фундаментальною термодинамічною ціною вимірювання часу в квантовій шкалі».
Поза виміром часу: фундаментальне розуміння
Це дослідження торкається глибших питань фізики, включно з напрямком часу. Демонструючи, що вимірювання, а не просто цокання, визначає напрямок часу, ці результати пов’язують фізику енергії з інформатикою. Співавтор Флоріан Майєр (TU Wien) припускає, що наступним кроком є розуміння принципів ефективності нанопристроїв, щоб ми могли розробляти автономні пристрої, які обчислюють і вимірюють час більш ефективно, як це робить природа.
Дослідження підкреслює важливе розуміння: у квантовому світі акт пізнання фундаментально змінює спостережувану систему. Це розуміння має далекосяжні наслідки, окрім вимірювання часу, і поширюється на будь-які квантові технології, які покладаються на точні вимірювання.
