Квантові пристрої вважаються новим етапом у розвитку науки і техніки, повідомляє mdr.de. Вони вже використовуються в обчислювальній техніці, навігації та датчиках і можуть працювати точніше та швидше, ніж звичайні системи. Однак для їх синхронізації потрібні спеціальні – квантові годинники, здатні вимірювати час з безпрецедентною точністю.
Але результати нового дослідження, опублікованого в науковому журналі Physical Review Letters, показали протилежне: Квантові годинники витрачають колосальну кількість енергії не на роботу, а на зчитування даних.
Коли вимірювання дорожче, ніж процес
Класичні годинники, будь то маятникові чи атомні, вимірюють плин часу через незворотні фізичні процеси, такі як коливання частинок. У квантовому світі все складніше: час стає спрямованим тільки в момент вимірювання.
Як зазначає співавтор дослідження Флоріан Майєр з Віденського університету, квантові годинники демонструють, що саме акт спостереження, а не сам «цокання», робить час прогресивним. Це відкриття, за його словами, «пов’язує енергетичну фізику та інформаційну науку», створюючи новий перетин двох фундаментальних дисциплін.
Експеримент: Електрони як секундна стрілка
Дослідники з Великобританії, Ірландії та Австрії провели експеримент зі створення моделі квантового годинника. У них ритм задавали електрони, що рухалися між двома мікроскопічними точками. Цей метод відомий як технологія Double Quantum Dot.
Щоб зафіксувати «цокання», вчені використовували два підходи:
- слабкі електричні струми, що фіксують зміни в системі;
- радіохвилі, які виявляють рух електронів.
Потім команда розрахувала енергетичні та термодинамічні витрати кожного елемента. Результати були несподіваними: на вимірювання витрачається в мільярд разів більше енергії, ніж на сам процес роботи годинника.
Керівник проекту, професор Наталі Арес з Оксфордського університету зазначила, що вчені очікували протилежного ефекту. “Ми думали, що квантові годинники будуть економити енергію при вимірюванні часу. Але виявилося, що саме спостереження “цокаючих” електронів вимагає в рази більше ресурсів”.
Чому це не проблема, а нова можливість
Незважаючи на парадоксальні висновки, дослідники впевнені: додаткові витрати на електроенергію можуть бути перевагою. Надлишок енергії дозволяє глибше вивчати, як поводяться квантові частинки, і, отже, підвищувати точність вимірювань.
Співавтор Вівек Вадхіа пояснює: “Тепер нам потрібно зрозуміти, які фізичні принципи роблять нанопристрої ефективними. Це дозволить створювати автономні системи, які можуть вимірювати час так само точно, як це робить сама природа”.
Таким чином, дослідження не припиняють розробку квантових годинників. Навпаки, відкриває новий напрямок – пошук енергетично стійких методів квантового вимірювання, де Кожна «галочка» буде не просто сигналом часу, а відображенням фундаментальних процесів Всесвіту.
Чому це відкриття важливе?
З одного боку, результати дослідження ставлять під сумнів ідею «безкоштовної» точності квантових технологій. З іншого боку – вони дають можливість зрозуміти, як пов'язані енергія, інформація та час.
Для фізиків це крок до створення більш досконалих квантових пристроїв. А для людства – до розуміння того, що таке час у фундаментальному сенсі.
