Квантова революція: досягнення фізиків змінить те, як ми вимірюємо час

Протягом багатьох років фізики намагалися розробити годинник, який міг би вимірювати крихітні відрізки часу з надзвичайною точністю. Квантовий годинник за допомогою правил квантової механіки вже це робить. Але завжди була проблема: що точніший цей годинник, то більше енергії він втрачає і то більше безладу або ентропії він створює. Це довгий час вважалося неминучою платою за підтримання точного часу. Тепер же фізики розробили основу для нового типу квантових годинників, які можуть цокати з вражаючою точністю, витрачаючи при цьому набагато менше енергії. Це може кардинально змінити те, як ми вимірюємо час і призвести до створення більш ефективних квантових технологій. Дослідження опубліковано в журналі Nature Physics, пише Interesting Engineering.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Проблема квантового годинника

Традиційний годинник, включно з квантовим, заснований на підрахунку повторюваних незворотних подій, таких як хитання маятника або перехід атомів між рівнями енергії. Щоразу, коли відбувається один із таких тиків, невелика кількість енергії втрачається у вигляді тепла — це ентропія. У класичних і більшості існуючих квантових годинників, щоб збільшити точність, потрібно збільшити вироблену ентропію. Це вважалося фундаментальним обмеженням.

Щоб вирішити цю проблему фізики запропонували іншу стратегію. Замість того щоб розглядати кожен тик як окрему подію, яку необхідно спостерігати і реєструвати, тим самим розсіюючи енергію, вони вивчили, що станеться, якщо можна дозволити квантовим подіям розгортатися когерентно, плавно, як хвиля, без перешкод.

У їхній моделі годинник не вимірює кожен окремий тик. Замість цього він відстежує загальний потік часу, дозволяючи квантовим збудженням, тобто крихітним пакетам енергії, переміщатися системою без перерви. Це відомо як когерентний квантовий перехід.

Квантова революція

У механічному годиннику секундна стрілка тихо рухається, але при цьому переміщує хвилинну стрілку вперед. Тут застосовна та сама логіка. Оскільки на проміжних етапах немає вимірювання або збурення, система уникає створення ентропії з кожним тиком.

Такий підхід має потужний ефект. Зв'язок між точністю та ентропією більше не є лінійним. Замість необхідності подвоювати ентропію для подвоєння точності, тепер ентропія зростає тільки повільно в міру підвищення точності.

Конструкція квантового годинника, запропонована фізиками, ґрунтується на квантових системах з багатьма частинками, де частинки поводяться в скоординованих хвилеподібних моделях. Така колективна поведінка дає змогу здійснювати точний контроль без звичайних термодинамічних витрат.

Вчені кажуть, що їхній підхід не усуває ентропію повністю. Це було б порушенням законів термодинаміки. Однак він показує, що можна зменшити її значною мірою, використовуючи квантові ефекти.

Вчені використовували теоретичні моделі для підтвердження цієї ідеї, і тепер почали створювати перший прототип нового квантового годинника.

Досягнення фізиків може стати великим кроком вперед у точному вимірюванні часу. Це досягнення не обмежується тільки точним вимірюванням часу, але його можна використати для нових більш ефективних квантових комп'ютерів та інших квантових технологій.

Як уже писав Фокус, фізики вважають, що своєрідні тунелі в космосі, які, як передбачається, з'єднують різні точки простору-часу, насправді ховаються у вигляді відомих об'єктів.