Группа ученых под руководством Оксфордского университета обнаружила неожиданный источник энтропии в квантовом хронометрировании – сам акт измерения. В исследовании, опубликованном 14 ноября в журнале Physical Review Letters, показано, что для считывания показаний квантовых часов требуется значительно больше энергии, чем для их работы. Эти результаты открывают новые перспективы и вызовы для разработки квантовых технологий следующего поколения.
Традиционные часы, от маятниковых до атомных, полагаются на необратимые процессы для отсчета времени. На квантовом уровне подобные процессы становятся крайне слабыми или почти не происходят, что значительно усложняет создание надежных часов. Устройствам, таким как квантовые датчики и навигационные системы, которым требуется точная синхронизация, необходимы внутренние часы, экономно расходующие энергию. До нынешнего момента термодинамическое поведение этих систем оставалось по большей части неизвестным.
Целью исследователей было определить истинную термодинамическую нагрузку поддержания времени в квантовом мире и выявить, какая часть этой стоимости обусловлена непосредственно актом измерения.
Для изучения этого вопроса ученые сконструировали миниатюрные часы, использующие одиночные электроны, перескакивающие между двумя наноразмерными областями, известными как двойная квантовая точка. Каждый такой прыжок служил «тиком» часов. Затем команда отслеживала эти «тики» с помощью двух различных методов: один измерял чрезвычайно малые электрические токи, другой использовал радиоволны для определения едва уловимых изменений в системе. В обоих подходах детекторы преобразуют квантовые события – прыжки электронов – в классическую информацию, которую можно записать, что представляет собой переход от квантового к классическому состоянию.
Исследователи рассчитали энтропию – количество рассеиваемой энергии – которая генерировалась как самими часами (двойной квантовой точкой), так и измерительными устройствами. Они обнаружили, что энергия, необходимая для считывания показаний квантовых часов, то есть для преобразования их крошечных сигналов в нечто измеримое, может быть в миллиард раз больше энергии, потребляемой самим механизмом часов. Этот результат ставит под сомнение давнее убеждение в пренебрежимо малой стоимости измерений в квантовой физике. Он также выявляет поразительный факт: наблюдение вводит необратимость, которая, по сути, и придает времени его направленность вперед.
Это открытие опровергает обычное ожидание, что улучшение квантовых часов требует исключительно более совершенных квантовых компонентов. Вместо этого, по мнению исследователей, будущий прогресс зависит от разработки методов измерения, способных собирать информацию более эффективно.
Профессор Наталия Арес из Департамента инженерных наук Оксфордского университета, ведущий автор исследования, отмечает: «Ожидалось, что квантовые часы, работающие в наименьших масштабах, снизят энергетические затраты на хронометрирование, но наш новый эксперимент выявил неожиданный поворот. Оказалось, что в квантовых часах квантовые «тики» значительно превышают стоимость работы самого часового механизма».
По мнению исследователей, этот дисбаланс может даже обернуться преимуществом. Дополнительная энергия, затрачиваемая в процессе измерения, способна предоставить более полную информацию о поведении часов – не только подсчитывать «тики», но и фиксировать каждое мельчайшее колебание. Это может позволить создавать высокоточные часы, работающие более эффективно.
Соавтор исследования, докторант Вивек Вадхия из Департамента инженерных наук, добавляет: «Наши результаты показывают, что энтропия, производимая усилением и измерением «тиков» часов, которая часто игнорировалась в литературе, является наиболее значимой и фундаментальной термодинамической стоимостью хронометрирования на квантовом уровне. Следующий шаг – понять принципы, управляющие эффективностью в наноразмерных устройствах, чтобы мы могли проектировать автономные устройства, которые вычисляют и отсчитывают время гораздо эффективнее, подобно тому, как это происходит в природе».
Флориан Майер, докторант из Технического университета Вены и соавтор работы, подчеркивает: «Помимо квантовых часов, это исследование затрагивает глубокие вопросы физики, включая то, почему время течет только в одном направлении. Показывая, что именно акт измерения, а не сам отсчет «тиков», придает времени его направленность вперед, эти новые открытия устанавливают мощную связь между физикой энергии и наукой об информации».
В исследовании также принимали участие ученые из Технического университета Вены и Тринити-колледжа в Дублине.
