Квантовая революция: достижение физиков изменит то, как мы измеряем время

В течение многих лет физики пытались разработать часы, которые могли бы измерять крошечные отрезки времени с чрезвычайной точностью. Квантовые часы с помощью правил квантовой механики уже это делают. Но всегда была проблема: чем точнее эти часы, тем больше энергии они теряют и тем больше беспорядка или энтропии они создают. Это долгое время считалось неизбежной платой за поддержание точного времени. Теперь же физики разработали основу для нового типа квантовых часов, которые могут тикать с поразительной точностью, тратя при этом гораздо меньше энергии. Это может кардинально изменить то, как мы измеряем время и привести к созданию более эффективных квантовых технологий. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics, пишет Interesting Engineering.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Проблема квантовых часов

Традиционные часы, включая квантовые, основаны на подсчете повторяющихся необратимых событий, таких как качание маятника или переход атомов между уровнями энергии. Каждый раз, когда происходит один из таких тиков, небольшое количество энергии теряется в виде тепла — это энтропия. В классических и большинстве существующих квантовых часов, чтобы увеличить точность, нужно увеличить произведенную энтропию. Это считалось фундаментальным ограничением.

Чтобы решить эту проблему физики предложили другую стратегию. Вместо того чтобы рассматривать каждый тик как отдельное событие, которое необходимо наблюдать и регистрировать, тем самым рассеивая энергию, они изучили, что произойдет, если можно позволить квантовым событиям разворачиваться когерентно, плавно, как волна, без помех.

В их модели часы не измеряют каждый отдельный тик. Вместо этого они отслеживают общий поток времени, позволяя квантовым возбуждениям, то есть крошечным пакетам энергии, перемещаться по системе без перерыва. Это известно как когерентный квантовый переход.

Квантовая революция

В механических часах секундная стрелка тихо движется, но при этом перемещает минутную стрелку вперед. Здесь применима та же логика. Поскольку на промежуточных этапах нет измерения или возмущения, система избегает создания энтропии с каждым тиком.

Такой подход имеет мощный эффект. Связь между точностью и энтропией больше не является линейной. Вместо необходимости удваивать энтропию для удвоения точности, теперь энтропия растет только медленно по мере повышения точности.

Конструкция квантовых часов, предложенная физиками, основана на квантовых системах с многими частицами, где частицы ведут себя в скоординированных волнообразных моделях. Такое коллективное поведение позволяет осуществлять точный контроль без обычных термодинамических затрат.

Ученые говорят, что их подход не устраняет энтропию полностью. Это было бы нарушением законов термодинамики. Однако он показывает, что можно уменьшить ее в значительной степени, используя квантовые эффекты.

Ученые использовали теоретические модели для подтверждения этой идеи, и теперь начали создавать первый прототип новых квантовых часов.

Достижение физиков может стать большим шагом вперед в точном измерении времени. Это достижение не ограничивается только точным измерением времени, но его можно использовать новых более эффективных квантовых компьютеров и других квантовых технологий.

Как уже писал Фокус, физики считают, что своеобразные тоннели в космосе, которые, как предполагается, соединяют разные точки пространства-времени, на самом деле скрываются в виде известных объектов.