Физики предложили метод, который позволяет значительно повысить точность квантовых часов без пропорционального увеличения энергозатрат.
Физики из Венского технического университета, Технического университета Чалмерса и Мальтийского университета опровергли популярное представление, что удвоение точности квантовых часов требует как минимум удвоения энергозатрат. Результаты исследования помогут создать высокоточные измерительные приборы, углубить понимание связи между квантовой физикой и термодинамикой.
До сих пор считалось, что для увеличения точности часов в тысячу раз необходимо сгенерировать в тысячу раз больше энтропии, а значит потратить столько же энергии. Это ограничение воспринималось как фундаментальное следствие квантовой неопределенности и законов термодинамики.
«Любые часы должны быть связаны с необратимым процессом, который увеличивает энтропию во Вселенной», — объясняет Флориан Майер из Венского технического университета. Маятник нагревает воздух, лазер в атомных часах создает излучение — все это проявления таких процессов.
Ученые предложили использовать две временные шкалы, аналогично секундной и минутной стрелкам в классических часах. Однако в квантовом варианте одна из «стрелок» работает по законам квантовой механики и не производит энтропии.
У нас есть быстрый процесс — квантовый перенос, который не вызывает роста энтропии, и более медленный процесс — прибытие частицы в конце. Главное в нашем методе то, что одна рука ведет себя исключительно в терминах квантовой физики, и только другая, более медленная рука на самом деле имеет эффект генерации энтропии.
Юрий Миногучи, соавтор исследования
В квантовом режиме частица может перемещаться по всей структуре часов, находясь «везде одновременно» до момента измерения, когда фиксируется ее положение.
Профессор Маркус Хубер из Атомного института сравнил процесс с песочными часами: «Можно использовать частицы, которые переходят из одной области в другую для измерения времени, и соединить целую серию таких устройств последовательно». Главное отличие квантового подхода — в отказе от промежуточных измерений, что позволяет избежать генерации энтропии в основной части процесса.
Ученые математически доказали, что эта стратегия обеспечивает экспоненциальный рост точности при линейном увеличении энтропии. Это открывает путь к созданию приборов, чья точность значительно превышает считавшиеся ранее предельными значения. Теория может быть проверена на практике с помощью сверхпроводящих цепей — доступной квантовой технологии.
