Как можно использовать странные свойства квантовых частиц для выполнения чрезвычайно точных измерений? Этот вопрос лежит в основе исследований в области квантовой метрологии. Примером может служить атомные часы, которые используют квантовые свойства атомов для измерения времени гораздо точнее, чем это возможно с помощью обычных часов.
Однако фундаментальные законы квантовой физики всегда связаны с определённой степенью неопределённости. Некоторая случайность или статистический шум неизбежны. Это приводит к фундаментальным ограничениям точности, которую можно достичь. До сих пор считалось, что для часов, в два раза более точных, требуется как минимум вдвое больше энергии.
Теперь группа исследователей из Венского технического университета, Технологического университета Чалмерса в Швеции и Университета Мальты продемонстрировала, что можно использовать специальные приёмы для экспоненциального повышения точности. Ключевым моментом является использование двух разных временных масштабов — подобно тому, как у часов есть секундная и минутная стрелки.
Статья [опубликована](https://www.nature.com/articles/s41567-025-02929-2) в журнале Nature Physics.
«Мы проанализировали, какие часы теоретически возможны в принципе», — говорит профессор Маркус Хубер из Атомного института при Венском техническом университете. «Каждым часам нужны две составляющие: во-первых, генератор временной базы, такой как маятник в маятниковых часах, или даже квантовая осцилляция. И, во-вторых, счётчик — любой элемент, который подсчитывает, сколько единиц времени, определённых генератором временной базы, уже прошло».
Генератор временной базы всегда может вернуться в точно такое же состояние. После одного полного колебания маятник маятниковых часов оказывается точно там, где был раньше. После определённого числа колебаний атом цезия в атомных часах возвращается в точно такое же состояние, в каком он был до этого. Счётчик, напротив, должен изменяться — иначе часы бесполезны.
«Это означает, что каждые часы должны быть связаны с необратимым процессом», — говорит Флориан Мейер из Венского технического университета. «На языке термодинамики это означает, что каждые часы увеличивают энтропию во Вселенной; иначе это не часы». Маятник маятниковых часов генерирует немного тепла и беспорядка среди молекул воздуха вокруг него, и каждый лазерный луч, считывающий состояние атомных часов, генерирует тепло, излучение и, следовательно, энтропию.
«Теперь мы можем рассмотреть, сколько энтропии должны генерировать гипотетические часы с чрезвычайно высокой точностью — и, соответственно, сколько энергии такие часы потребуют», — говорит профессор Хубер. «До сих пор казалось, что существует линейная зависимость: если вы хотите увеличить точность в тысячу раз, вам придётся генерировать как минимум в тысячу раз больше энтропии и потратить в тысячу раз больше энергии».
Однако исследовательская группа из Венского технического университета вместе с Австрийской академией наук в Вене и командами из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Университета Мальты показала, что это очевидное правило можно обойти, используя два разных временных масштаба.
«Например, вы можете использовать частицы, которые перемещаются из одной области в другую, для измерения времени, подобно тому, как песчинки указывают время, падая сверху вниз», — говорит Мейер. Вы можете соединить целую серию таких измерителей времени последовательно и подсчитать, сколько из них уже прошло — подобно тому, как одна часовая стрелка подсчитывает, сколько кругов сделала другая часовая стрелка.
«Таким образом, вы можете повысить точность, но не без дополнительных затрат энергии», — говорит профессор Хубер. «Потому что каждый раз, когда одна часовая стрелка совершает полный оборот, а другая часовая стрелка измеряется в новом положении — вы могли бы также сказать, что каждый раз, когда окружающая среда замечает, что эта стрелка переместилась в новое положение, — энтропия увеличивается. Этот процесс подсчёта необратим».
Однако квантовая физика также допускает другой вид переноса частиц: частицы могут перемещаться по всей структуре, то есть по всему циферблату часов, не будучи измеренными нигде. В некотором смысле частица тогда находится везде одновременно во время этого процесса; у неё нет чётко определённого местоположения, пока она наконец не достигнет цели — и только тогда она фактически измеряется в необратимом процессе, который увеличивает энтропию.
«Итак, у нас есть быстрый процесс, который не вызывает энтропию — квантовый транспорт — и медленный, а именно прибытие частицы в самом конце», — объясняет Юрий Миногучи из Венского технического университета. «Ключевым моментом нашего метода является то, что одна стрелка ведёт себя чисто с точки зрения квантовой физики, и только другая, более медленная стрелка фактически оказывает энтропийный эффект».
Команда смогла показать, что эта стратегия позволяет экспоненциально повышать точность при увеличении энтропии. Это означает, что можно достичь гораздо более высокой точности, чем предполагалось возможным согласно предыдущим теориям.
«Более того, теорию можно проверить в реальном мире с помощью сверхпроводящих схем, одной из самых передовых квантовых технологий, доступных в настоящее время», — говорит Симоне Гаспаринетти, соавтор исследования и руководитель экспериментальной группы в Чалмерсе.
«Это важный результат для исследований в области высокоточных квантовых измерений и подавления нежелательных флуктуаций», — говорит профессор Хубер, «и в то же время это помогает нам лучше понять одну из великих нерешённых загадок физики: связь между квантовой физикой и термодинамикой».
Предоставлено [Венским университетом технологий](https://phys.org/partners/vienna-university-of-technology/)