Исследование под руководством Оксфордского университета выявило удивительный источник энтропии в квантовом измерении времени — сам процесс измерения. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные демонстрируют, что затраты энергии на «чтение» квантовых часов значительно превышают затраты на их работу. Это имеет значение для разработки будущих квантовых технологий.
Квантовые часы и необратимые процессы
Часы, будь то маятниковые или атомные осцилляторы, используют необратимые процессы для отсчёта времени. На квантовом уровне, где такие процессы слабы или почти отсутствуют, хронометраж становится гораздо сложнее.
Для будущих квантовых устройств, которые полагаются на точное хронометрирование, таких как датчики и навигационные системы, крайне важно, чтобы их внутренние часы были энергоэффективными. Однако термодинамика квантовых часов до сих пор была загадкой.
Цель исследования
В этом новом исследовании учёные задались вопросом: какова реальная термодинамическая стоимость поддержания времени на квантовом уровне и сколько из этих затрат приходится на сам процесс измерения?
Методика
Для этого они создали микроскопические часы, используя одиночные электроны, прыгающие между двумя наноразмерными областями (известными как двойная квантовая точка), причём каждый прыжок действует как «тик» часов.
Для обнаружения этих тиков исследователи использовали два метода: один измерял крошечные электрические токи, а другой использовал радиоволны для регистрации изменений в системе. В обоих случаях датчики преобразовывали квантовые сигналы (электронные прыжки) в классические данные, которые мы можем записать: переход от квантового к классическому.
Результаты
Исследователи рассчитали энтропию (количество рассеиваемой энергии) как квантовым механизмом часов (то есть двойной квантовой точкой), так и измерительным прибором. Их результаты показали, что энергия, необходимая для чтения квантовых часов (то есть для преобразования их крошечных сигналов во что-то, что мы можем записать), в миллиарды раз больше, чем энергия, используемая самими часами.
Это опровергает предположение о том, что затратами на измерение в квантовой физике можно пренебречь. Это также подчёркивает удивительное открытие: сам акт наблюдения придаёт времени его направленность, делая его необратимым.
Выводы
Это переворачивает общее предположение о том, что более эффективные часы требуют более совершенных квантовых систем. Вместо этого исследования должны быть сосредоточены на более умных и энергоэффективных способах измерения тиков.
Ведущий автор профессор Наталья Арес (кафедра инженерных наук, Оксфордский университет) сказала: «Квантовые часы, работающие на микроскопическом уровне, как ожидалось, должны снижать энергетические затраты на хронометраж, но наш новый эксперимент раскрывает неожиданный поворот. Вместо этого в квантовых часах квантовые тики значительно превышают тики самого часового механизма».
Однако, по словам исследователей, этот дисбаланс может быть особенностью, а не недостатком. Дополнительная энергия измерения может дать больше информации о поведении часов: не только подсчёт тиков, но и подробная запись каждого небольшого изменения. Это открывает новые пути для создания высокоточных часов более эффективным способом.
Соавтор Вивек Вадхия (аспирант кафедры инженерных наук) сказал: «Наши результаты показывают, что энтропия, производимая усилением и измерением тиков часов, которую часто игнорировали в литературе, является наиболее важной и фундаментальной термодинамической стоимостью хронометража на квантовом уровне».
Исследование также включало учёных из Венского технического университета и Тринити-колледжа в Дублине.
Предоставлено Оксфордским университетом.