读取量子时钟消耗的能量可能超过其运行所需

新研究指出，量子计时技术伴随着量子力学的种种悖论。

量子技术 —— 即依据量子力学原理运行的设备 —— 无论出现在何种领域，都承诺为用户带来突破性创新。然而具有讽刺意味的是，正是这些相同的原理常常带来复杂性问题，阻碍这些本应非凡的设备真正发挥作用。

11月14日发表于《物理评论快报》的一项新研究，通过揭示另一个有些出人意料的障碍 —— 测量行为本身 —— 进一步证实了这个问题。在该实验中，物理学家构建了一个微观量子时钟，并发现读取量子时钟所需的能量，可能比运行时钟本身所需的能量高出多达十亿倍。

根据该研究，这些发现凸显了量子力学中"文献中常被忽略的"东西，即观察的成本。与此同时，如果能找到合适的方法，这种额外的能量也可能为创造信息更丰富、超精密的时钟提供一个机会。

"人们曾预期在最小尺度上运行的量子时钟会降低计时所需的能量成本，但我们的新实验揭示了一个意想不到的转折，"该研究的资深作者、英国牛津大学的物理学家纳塔利娅·阿雷斯在一份新闻稿中表示。"相反，在量子时钟中，量子滴答声所消耗的能量远远超过了钟表结构本身。"

一些（高度浓缩的）背景

时间是量子力学中一个极其困难的概念；在量子领域，它的影响很弱，或者说几乎无关紧要。尽管如此，现实世界的设备会受到随时间变化的现实现象的影响。对研究人员而言，这意味着未来的量子设备 —— 例如传感器或导航系统 —— 必须包含超精密的内部时钟以尽量减少问题。

此外还有测量问题，著名的薛定谔的猫思想实验最好地诠释了这一现象。量子系统可以存在于多种状态的叠加之中，但当观察者试图测量该系统时，只能得到一个确定的结果。所以，猫可能是死的也可能是活的，但只有当我们打开盒子时才会知道。

一个普通的时钟在其滴答作响并记录时间流逝时，会自动产生热量 —— 因而也产生熵，即有序度的度量。研究人员指出，这种热效应通常非常微小，在大多数情况下无关紧要，这导致大多数量子研究人员忽略了时钟滴答对量子设备的影响。

测量量子滴答

在他们的实验中，研究团队创建了一个基于两个电子在两个不同区域间跳跃的量子时钟。每次跳跃相当于普通时钟的一次"滴答"。他们追踪了微小电流和无线电波 —— 两种不同的量子信号 —— 的变化，并将这些变化转化为用于计时的经典数据。然后，研究人员比较了由跳跃电子"滴答"产生的熵所带来的能量成本，与测量这些滴答所需消耗的能量。

论文指出，令人惊讶的是，他们发现后者"不仅使前者相形见绌，而且还释放了大幅提高的精度"。也就是说，暂且不论效率，额外的测量能量实际上让团队能够更精确地控制时钟。

展望未来，未参与这项新研究的英国兰卡斯特大学的物理学家爱德华·莱尔德告诉媒体，理解这种动力学可能有助于在先进计算机内部同步与时间相关的操作。研究人员补充说，这些发现引发了更根本性的问题：是否正是观察这一行为本身赋予了时间方向？

"通过证明是测量行为 —— 而不仅仅是滴答本身 —— 赋予了时间向前的方向，这些新发现在能量物理学与信息科学之间建立了强有力的联系，"该研究的共同第一作者、奥地利维也纳工业大学的博士后弗洛里安·迈尔在声明中解释道。

正如研究人员在论文中指出的那样，能源效率一直是量子技术设计中持续存在的问题。因此，耐人寻味的是，就目前而言，这篇论文可以被看作是一个契机，促使人们将目光从硬件上移开，重新审视理论量子力学中一些固有的悖论。

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