Затраты на квантовое измерение времени

Исследователи обнаружили поразительный энергетический дисбаланс в основе квантового хронометража: процесс измерения квантовых часов потребляет до миллиарда раз больше энергии, чем сама работа часов. Это открытие, опубликованное сегодня в Physical Review Letters, ставит под сомнение предположения о квантовых измерениях и может изменить подход к разработке будущих квантовых технологий.

Открытие стало результатом работы коллаборации под руководством Оксфордского университета, которая создала микроскопические часы, использующие одиночные электроны, перемещающиеся между двумя наноразмерными областями — двойной квантовой точкой, — где каждый переход представляет собой «тик». Измерив энтропию, производимую как квантовым часовым механизмом, так и измерительным аппаратом, команда обнаружила, что преобразование квантовых сигналов в классические, записываемые данные значительно превышает энергетические затраты самого хронометража.

Новый акцент на эффективности измерений

Исследование опровергает давнее предположение в квантовой физике: что затратами на измерение можно пренебречь. Вместо этого учёные обнаружили, что само наблюдение придаёт времени его направление вперёд, делая квантовые процессы необратимыми.

«Ожидалось, что квантовые часы, работающие на самых малых масштабах, снизят энергетические затраты на измерение времени, но наш новый эксперимент выявил неожиданный поворот», — сказала ведущий автор профессор Наталия Арес из Оксфордского департамента инженерных наук. Команда использовала два метода измерения — крошечные электрические токи и радиоволны — для обнаружения скачков электронов, обнаружив, что оба преобразуют квантовые сигналы в классические данные с огромными энергетическими затратами.

По словам соавтора Вивека Вадхиа, докторанта Оксфорда, «энтропия, производимая усилением и измерением тиканий часов, которой часто пренебрегают в литературе, является наиболее важной и фундаментальной термодинамической стоимостью измерения времени на квантовом масштабе».

Последствия для квантовых устройств

Результаты исследования показывают, что совершенствование квантовых технологий может требовать меньшего внимания к улучшению квантовых систем и большего — к энергоэффективным методам измерения. Исследование, в котором также участвовали ученые из Технического университета Вены и Тринити-колледжа в Дублине, имеет особое значение для квантовых датчиков и навигационных систем, которые зависят от точного измерения времени.

Флориан Майер, докторант Технического университета Вены и соавтор исследования, отметил, что работа «затрагивает глубокие вопросы физики, включая то, почему время течет в одном направлении». Исследователи предполагают, что энергетический дисбаланс при измерении может на самом деле быть преимуществом, предоставляя детальные записи квантового поведения, а не простой подсчет тактов.

Исследование 

DOI: https://doi.org/10.1103/5rtj-djfk

Источник / Исследование

https://link.aps.org/doi/10.1103/5rtj-djfk

Источник / Фокусировка

https://physics.aps.org/articles/v18/182