打破限制！量子时钟可能比预期的更精确

导读：

精确性并不受热力学第二定律的限制。

如何利用量子粒子的奇特特性，来实现极高精度的测量呢？这是“量子计量学”研究领域的核心问题之一。原子钟就是一个典型例子：它利用原子的量子行为来计量时间，精度比传统机械时钟高得多。

然而，量子物理学的基本规则总是不可避免地包含一定程度的不确定性。在测量中，我们必须接受一定程度的随机性或统计噪声，这就对测量精度设定了一个基本限制。过去，人们普遍认为存在一条永恒不变的定律：若要将时钟精度提高一倍，至少需要耗费两倍的能量。

但一项新发表于《自然·物理》杂志的研究表明，这一限制并非不可突破。通过采用两种不同的时间尺度，类似“秒针”和“分针”巧妙设计，时钟精度可以随能量耗散呈指数增长。

一台真正的“时钟”需要具备哪些要素？研究人员从原理上分析了在理论上可实现的时钟模型。

简单来说，任何时钟都由两个基本组件构成：一是“时基发生器”，例如钟摆的摆动或量子的振荡；二是“计数器”——一个用于统计已经过去了多少个时间单位的装置，这些单位由时基发生器所定义。

时基发生器的特点在于可以周期性返回初始状态。例如，钟摆每完成一个摆动周期后都会回到原位；原子钟中的铯原子也会在振荡若干次后恢复初始状态。而“计数器”则必须发生变化，否则我们无法得知已经过去了多少个时间单位，时钟就失去了记录时间的功能。这一“变化”，便引入了不可逆性。

从热力学角度看，这意味着：每台时钟的运行都不可避免地伴随熵的增加。钟摆在摆动时与空气分子摩擦，会产生微量热量和紊乱，原子钟中读取状态的激光束也会产生热量、辐射，从而带来熵的增加。

在新的研究中，来自奥地利维也纳量子光学与量子信息研究所和维也纳工业大学的研究人员关注了这样一个问题：一个具有极高精度的理想时钟，究竟需要产生多少熵？相应地，又要消耗多少能量？

过往研究普遍认为，熵的增加与精度呈线性关系：若想将精度提升千倍，就需消耗千倍的能量，产生至少千倍的熵。

具体来说，他们设想利用粒子从一个区域移动到另一个区域的过程来计时，这就像是沙漏中的沙粒从上方落到底部那样表示时间。如果将多个这样的“粒子计时器”串联起来，并统计已有多少粒子穿过，就如同一个“分针”记录了“秒针”完成的圈数。

通过这种方式，的确可以提升整体测量精度，但这并非“零代价”。每当一个指针完成一圈转动，另一个指针的位置就会被重新测量。换句话说，每当环境“察觉”到这个指针已经移动到了新位置时，系统的熵就会随之增加。这种计数过程本身就是不可逆的。

不过，量子物理还允许另一种传输方式：粒子可以不被测量地穿越整个系统，即横跨整个“时钟表盘”。在某种意义上，粒子在这一过程中是“无处不在”的；它没有一个明确的位置，直到最终到达终点。只有在那一刻，它才被真正测量——这是一个不可逆的过程，并伴随着熵的增加。

因此，这个系统涉及到两个过程：一个是快速但不导致熵增的量子传输过程；另一个是粒子最终抵达终点并被测量的慢速过程。

这种策略的关键就在于，其中一个“指针”完全遵循量子物理，运行过程中不会产生熵；而另一个更慢的“指针”则承担记录的功能，只有它才真正引起熵的增加。研究团队进一步证明，这一策略使得每单位熵的增加都能带来指数级的精度提升。

更重要的是，研究人员表示，这一理论并不只是抽象推导，而是可以通过超导电路等先进量子平台进行实验验证，这是目前最成熟的量子技术之一。

这项研究为探索高精度量子测量和压制量子噪声提供了新方向。这不仅是量子计时器设计上的突破，也有助于我们深入理解一个基础物理难题：量子物理与热力学之间，究竟隐藏着怎样的基本联系？

欢迎关注我们，投稿、授权等请联系

[email protected]

合作请添加微信SxsLive2022