Считывание показаний квантовых часов требует гораздо больше энергии, чем их работа
Энергозатраты на считывание показаний квантовых часов могут в миллиард превышать их потребности на поддержание хода.
Любые часы, будь то маятниковые или атомные, основаны на необратимых процессах для отсчета времени. На квантовом уровне, где такие процессы слабы или почти отсутствуют, измерение времени становится гораздо более сложной задачей.
Для будущих квантовых устройств, зависящих от точного хода времени — таких как сенсоры и навигационные системы, — критически важна энергоэффективность их внутренних часов. Однако до сих пор термодинамика квантовых часов оставалась загадкой.
Энергозатратность измерения квантовых часов
В новом исследовании ученые задались вопросом: какова реальная термодинамическая стоимость измерения времени на квантовом уровне и какая ее часть связана непосредственно с актом измерения?
Для этого построили микроскопические часы, в которых отдельные электроны, перескакивающие между двумя наноразмерными областями (так называемая двойная квантовая точка), играли роль «тикания» часов.
Для регистрации каждого «тика» применили два метода: один измерял крошечные электрические токи, а другой использовал радиоволны для мониторинга изменений в системе. В обоих случаях датчики преобразовывали квантовые сигналы (прыжки электронов) в классические данные, которые можно записать — это называется квантово-классическим переходом.
Ученые рассчитали энтропию (количество рассеиваемой энергии), производимую как самими квантовыми «механизмом» часов (двойной квантовой точкой), так и измерительной аппаратурой. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Расчеты показали, что энергия, необходимая для считывания показаний квантовых часов (то есть для преобразования их слабых сигналов во что-то, что мы можем зафиксировать), может в миллиард раз превышать энергию, потребляемую самими часами.
Это опровергает предположение, что стоимость измерения в квантовой физике можно игнорировать, а также указывает на неожиданный вывод: именно акт наблюдения придает времени направленность, делая его необратимым.
Это переворачивает распространенное представление — что более эффективные часы требуют лучших квантовых систем. Вместо этого исследования должны быть сосредоточены на более разумных и энергоэффективных способах измерения «тиков».
Последствия для будущих квантовых устройств
«Предполагалось, что квантовые часы, работающие в мельчайших масштабах, позволят снизить энергозатраты на измерение времени, но наш эксперимент показывает неожиданный поворот. Оказывается, в квантовых часах стоимость считывания тиков намного превосходит стоимость работы их механизма», — пояснила профессор Наталия Арес с факультета инженерных наук Оксфордского университета, ведущий автор работы.
Однако исследователи считают этот дисбаланс не недостатком, а скорее особенностью. Дополнительная энергия, затрачиваемая на измерение, может дать больше информации о поведении часов: не просто подсчет тиков, но и детальную запись каждого малого изменения. Это открывает новые пути для создания высокоточных часов с большей эффективностью.
«Наши результаты позволяют предположить, что энтропия, производимая при усилении и измерении тиков часов, которой часто пренебрегали в научной литературе, является наиболее важной и фундаментальной термодинамической стоимостью измерения времени в квантовом масштабе, — заметил аспирант Оксфорда Вивек Вадхия, соавтор исследования. — Следующий шаг — понять принципы, определяющие эффективность наноразмерных устройств, чтобы мы могли создавать автономные устройства, которые, подобно природным системам, производят вычисления и измеряют время гораздо эффективнее».
«Помимо квантовых часов, это исследование затрагивает фундаментальные вопросы физики, включая причину однонаправленности времени. Показывая, что именно акт измерения — а не просто тиканье как таковое — придает времени его направление вперед, эти новые данные устанавливают глубокую связь между физикой энергии и наукой об информации», — добавил соавтор Флориан Майер из Венского технического университета.
