Кольцевые часы. Источник: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02929-2
В течение последних десятилетий физики пытались разработать всё более сложные и точные часы для надёжного измерения продолжительности физических процессов, протекающих в течение очень коротких промежутков времени, что помогало бы подтверждать различные теоретические предсказания. К ним относятся так называемые квантовые часы — системы измерения времени, использующие принципы квантовой механики для измерения времени с чрезвычайно высокой точностью.
После встречи на конференции по квантовой термодинамике (QTD) 2023 в Вене группа исследователей из Венского технического университета (TU Wien), Австрийской академии наук, Технологического университета Чалмерса и Мальтийского университета приступила к созданию новых микроскопических квантовых часов, которые могли бы точно отсчитывать время, потребляя при этом значительно меньше энергии. Их концепция разработки таких часов была представлена в статье, опубликованной в Nature Physics.
«Основной принцип заключается в том, что можно пожертвовать точностью часов ради их разрешения (новым и по-настоящему квантовым способом)», — сказал Tech Xplore Маркус Хубер, старший автор статьи. «Как в песочных часах, мы можем вместо того, чтобы использовать отдельные песчинки в качестве тиков, подождать, пока не выпадет достаточное их количество. Полученные единицы времени будут измеряться более точно, но ждать придётся дольше».
«То же самое можно сказать, например, о механических часах с храповым механизмом, который приводит в движение секундную стрелку, а секундная стрелка приводит в движение минутную стрелку. Но каждое из этих фундаментальных событий (будь то песчинка, секундная стрелка или исследование электромагнитного поля лазера, стабилизированного на атомных переходах) требует термодинамических затрат».
Каждый раз, когда происходит необратимое событие, энергия расходуется на работу часовых механизмов. Поэтому для повышения точности часов необходимо также повышать энтропию (то есть беспорядок или случайность).
Связь между точностью классических часов, а также большинства простых квантовых часов и их термодинамикой является линейной. Это означает, что для удвоения их точности необходимо также удвоить рассеивание энтропии (т. е. необратимую потерю полезной энергии).
«Основная особенность наших квантовых многочастичных часов заключается в том, что они позволяют когерентно переносить эти базовые события, не вызывая при этом необратимых изменений в процессе», — сказал Хубер. «Как если бы секундная стрелка часов двигалась незаметно и без помех, она всё равно повышает точность минутной стрелки, завершая оборот. Таким образом, когерентный квантовый многочастичный перенос позволяет практически без потерь в точности (по крайней мере, только логарифмически) увеличить количество событий, которые в классическом случае можно было бы просто наблюдать.
Характерной особенностью конструкции квантовых часов, предложенной Хубером и его коллегами, является то, что она основана на когерентном квантовом переносе без диссипации, то есть на волнообразной передаче квантовых состояний. Это позволяет рассеивать значительно меньше энтропии, чем в ранее представленных квантовых часах, тем самым повышая их энергоэффективность.
«В результате один оборот стрелки квантовых часов требует значительно меньше энергии, чем у классических часов, стрелка которых непрерывно создаёт энтропию во время движения», — объяснил Флориан Майер, первый автор статьи.
Конструкция квантовых часов, предложенная этой группой исследователей, бросает вызов устоявшемуся мнению о том, что повышение точности устройств для измерения времени требует затрат, а именно увеличения энергопотребления. Таким образом, в будущем это может открыть новые захватывающие возможности для создания сверхточных и в то же время энергоэффективных квантовых систем измерения времени.
«В настоящее время рассеивание энергии не является основным ограничением производительности современных часов», — сказал Мейер. «Однако по мере развития технологий производства часов мы приближаемся к точке, в которой рассеивание энергии может стать существенным фактором, влияющим на точность. Полезную аналогию можно провести с классическими вычислениями: в течение многих лет рассеивание тепла считалось незначительным, но в современных центрах обработки данных, обрабатывающих огромные объёмы информации, оно стало серьёзной практической проблемой». Аналогичным образом мы предполагаем, что для некоторых областей применения высокоточных часов рассеивание энергии в конечном итоге будет иметь свои пределы.
Хотя исследователи прогнозируют, что диссипация неизбежно ограничит возможности по повышению точности квантовых часов, в их статье описываются фундаментальные физические принципы, которые могут помочь минимизировать диссипацию в будущем. В рамках своих дальнейших исследований Хубер, Майер и их коллеги хотели бы начать тестирование прототипов своих квантовых часов в экспериментальных условиях, чтобы ещё больше подтвердить их потенциал.
«Мы в Чалмерсе в настоящее время создаём один такой прототип с использованием сверхпроводящих схем на основе джозефсоновских переходов, — сказала Симона Гаспаринетти, старший автор команды, которая в настоящее время работает над экспериментальной реализацией квантовых часов. — Эти схемы похожи на те, что используются для создания квантовых компьютеров такими компаниями, как IBM или Google. Реализация квантовых часов на основе этих схем требует иного подхода, но мы уверены, что наша технология позволяет продемонстрировать экспоненциальное преимущество, описанное в статье».
Связывая время и термодинамику с многочастичными эффектами (например, когерентным переносом возбуждений), эти исследователи открывают широкий спектр возможностей для использования квантовых эффектов в области наноразмерной термодинамики. В рамках своих будущих исследований они надеются продемонстрировать преимущества своей конструкции квантовых часов в экспериментальных условиях.