北京
为应对精确计时中熵的不可避免的后果，科学家们开发出一种新型量子时钟，它能追踪时间的整体流逝而无需中断，而非测量每一个单独的“滴答”。
多年来，物理学家们一直试图设计能够以极高精度测量微小时间间隔的时钟。尤其是量子时钟，通过利用量子力学的奇特规则，将精度推向了令人难以置信的水平。
然而，一直存在一个代价：这些时钟越精确，消耗的能量就越多，产生的无序或熵也就越大。这长期以来被视为保持精确计时不可避免的成本。
如今，一个国际研究团队挑战了这一观念。他们开发了一种新型量子时钟的理论框架，这种时钟能够以显著精度运行，同时浪费的能量要少得多。
这项研究可能从根本上改变我们制造时钟的方式，并可能催生更高效的量子计算机及相关技术。
近乎无耗散的量子时钟
这种新型时钟的构想源于2023年在维也纳举行的量子热力学会议上的一次讨论。研究人员希望重新思考量子层面计时背后的基本假设。
包括量子钟在内的传统时钟，依赖于计数重复的、不可逆的事件，如钟摆摆动或原子在能级间的跃迁。每当发生一次这样的“滴答”，就有少量能量以热的形式损失 —— 这就是熵。
在经典时钟和大多数现有的量子时钟中，如果你想将精度提高一倍，就必须让产生的熵也增加一倍。这种一对一的权衡关系一直被认为是根本性的限制。
为了缓解这个问题，研究人员提出了一种不同的策略。他们不再将每一次“滴答”视为必须被观测和记录的独立事件（从而耗散能量），而是研究了如果能让量子事件连贯、平稳地展开（如同波浪一样）而不受干扰，会发生什么。
在他们的模型中，时钟并不测量每一次单独的“滴答”。相反，它通过让量子激发（微小的能量包）在系统中不间断地移动来追踪时间的整体流逝。这被称为相干量子输运。
“主要原理是以一种全新的、真正量子的方式，在时钟的精度和分辨率之间进行权衡。就像在沙漏中，我们可以不把每一粒沙子当作一次‘滴答’，而是等待足够多的沙子落下。由此产生的时间单位将获得更精确的分辨率，但代价是必须等待更长的时间，”研究人员之一马库斯·胡贝尔（Marcus Huber）表示。
在机械时钟中，你可以想象秒针在无人观察的情况下悄然移动，但依然推动着分针前进。同样的逻辑也适用于此。由于中间步骤没有测量或干扰，系统避免了每次“滴答”都产生熵。
这种方法效果显著。精度与熵之间的关系不再是线性的。现在，不再需要让熵翻倍来换取精度翻倍，随着精度的提高，熵只缓慢增长。这是一个巨大的效率提升。
迈向精确计时的重大一步
研究人员提出的时钟设计基于量子多体系统，其中的粒子以协调的、类似波的形式运动。这种集体行为允许进行精确控制，而无需付出通常的热力学代价。
研究人员使用理论模型证实了这一想法，现在他们正着手构建实物版本。例如，在瑞典查尔姆斯理工大学，一个团队正在使用超导电路研发原型机。
这一突破可能是精确计时领域向前迈出的一大步，尤其是在我们开发更先进量子技术的过程中。目前，能量耗散对于最先进的原子钟来说还不是主要问题，但这很可能会改变。
“一个有用的类比来自经典计算：多年来，热量耗散被认为是微不足道的，但在处理海量信息的当今数据中心，它已成为一个主要的实际问题。同样地，我们预计对于某些高精度时钟的应用，耗散最终将构成限制，”首席研究员弗洛里安·迈尔（Florian Meier）说。
所提出的方法并不能完全消除熵。那将违反热力学定律。然而，它确实表明，我们可以通过利用巧妙的量子效应（如相干输运）在很大程度上减少熵的产生。
这一成就不仅限于精确计时。例如，这些几乎无耗散的过程可用于以更节能的方式运行其他量子机器，如传感器或处理器。
接下来，研究人员计划在真实的实验室环境中测试他们的时钟设计。在查尔姆斯理工大学建造的原型机将有助于验证理论上的节能优势在实践中是否成立。
该研究已发表在《自然·物理学》杂志上。
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