多年來，物理學家一直在努力設計能夠以極高精度測量微小時間間隔的時鐘。特別是量子時鐘，利用量子力學的奇特規則達到驚人的準確性。
然而，這些時鐘越精確，所消耗的能量就越多，產生的無序或熵也隨之增加。這長期以來被視為保持精確時間的不可避免成本。
如今，一組國際研究人員挑戰了這一信念。他們開發了一種新型量子時鐘的框架，能夠以驚人的精度運行，同時大幅減少能量浪費。
這項研究可能會根本改變時鐘的製造方式，並可能導致更高效的量子計算機和相關技術。
幾乎無耗散的量子時鐘
這種新型時鐘的概念源自於2023年在維也納舉行的量子熱力學會議。研究人員希望重新思考量子層面上計時的基本假設。
傳統時鐘，包括量子時鐘，依賴於計數重複的不可逆事件，如擺錘擺動或原子在能量水平之間跳躍。每次這些滴答聲出現時，都會有少量能量以熱量的形式損失，這就是熵。
在經典和大多數現有的量子時鐘中，如果想要將精度翻倍，就必須將產生的熵翻倍。這種一對一的權衡一直被認為是基本的限制。
為了減輕這一問題，研究人員提出了一種不同的策略。他們研究了如果能讓量子事件以連貫的方式展開，而不是將每個滴答聲視為必須觀察和記錄的獨立事件，會發生什麼情況。
在他們的模型中，時鐘並不測量每一個獨立的滴答聲，而是通過讓量子激發（微小的能量包）在系統中不受干擾地移動來跟蹤時間的整體流動。這被稱為連貫量子傳輸。
“主要原則是在新的真正量子的方式中，將時鐘的精度與其解析度進行權衡。就像沙漏一樣，我們可以等待足夠的沙子落下，而不是使用單獨的沙粒作為滴答聲。這樣得到的時間單位會更精確，但需要更長的等待時間，”研究人員之一 Marcus Huber 說。
在機械時鐘中，可以想像秒針靜靜地移動，而沒有人在觀看，但仍然推動分鐘針前進。這裡的邏輯相同。由於在中間步驟中沒有測量或干擾，系統避免了每次滴答聲產生熵。
這種方法有著強大的影響。精度與熵之間的關係不再是線性的。現在，隨著精度的提高，熵的增長變得緩慢，而不再需要將熵翻倍才能翻倍精度，這是一個巨大的效率提升。
邁向精確計時的重要一步
研究人員提出的時鐘設計基於量子多體系統，粒子以協調的波動模式行為。這種集體行為允許在不產生通常熱力學成本的情況下進行精確控制。
研究人員使用理論模型確認了這一想法，現在他們開始構建實際版本。例如，在瑞典的查爾默斯科技大學，一個團隊正在利用超導電路開發原型。
這一突破可能是精確計時的重要進展，尤其是在開發更先進的量子技術時。目前，能量耗散對於最先進的原子時鐘來說並不是一個主要問題，但這種情況可能會改變。
“有用的類比來自經典計算：多年來，熱耗散被認為是微不足道的，但在當今處理大量信息的數據中心中，這已成為一個主要的實際問題。以類似的方式，我們預計在某些高精度時鐘的應用中，耗散最終會施加限制，”首席研究員 Florian Meier 表示。
所提出的方法並不完全消除熵。這將違反熱力學定律。然而，它確實顯示出我們可以在很大程度上減少熵的產生，利用連貫傳輸等巧妙的量子效應。
這一成就不僅限於精確計時。例如，這些幾乎無耗散的過程可以用於以更高能效運行其他量子機器，如傳感器或處理器。
接下來，研究人員計劃在實際實驗室環境中測試他們的時鐘設計。在查爾默斯構建的原型將幫助證明理論上的節能優勢是否在實踐中得以保持。
該研究發表在《Nature Physics》期刊上。
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