量子时钟的熵来自哪里？

时间与熵

时钟，无论是钟摆还是原子振荡器，都是依靠不可逆的过程来标记时间的流逝。根据热力学第二定律，任何时钟在计时过程中都会自动产生熵，从而释放热量。

这种效应通常非常微弱，但对于未来那些依赖于精确计时的量子设备（如量子传感器和量子导航系统）而言，计时与产热之间的关系则十分关键。

在一项于近期发表在《物理评论快报》上的一项研究中，一个研究团队用一个由两个单电子阱构成的量子时钟，测量了记录时钟“滴答”时所产生的熵。他们发现：读取量子时钟这一过程所产生的熵和热量，远远高于时钟本身进行量子操作所产生的熵和热量。这样的结果表明，原本常被忽视的、由放大和测量时钟滴答时所产生的熵，才是量子尺度上计时最重要、最根本的热力学成本。

量子时钟——双量子点

在这项新研究中，研究人员想要探索，在量子尺度上，维持计时的真实热力学成本是什么？而其中有多少成本来自“测量”这一行为本身？

为此，他们搭建了一个微型时钟——由单电子在两个纳米级区域（称为双量子点）之间的跳跃构成。这个基于“双量子点”的时钟每经历一次完整的三态循环并回到起点，就算作一次“滴答”，具体来说：

• 状态0：两个量子点都未被电子占据；

• 状态L：一个电子位于左侧量子点；

• 状态R：电子跳跃至右侧量子点。

量子时钟中的两个量子点（蓝色）都是半导体区域，可容纳一个自由电子，并会受到其附近施加电压的影响。（图/Y. Schell and G. Katsaros/Institute for Science and Technology Austria）

为了检测时钟的状态，研究人员采用了两种方法：一种是测量流向附近一个“电荷传感器”量子点的微弱电流，三种状态对应不同的电流值；另一种利用射频信号感知系统变化。在这两种方法中，传感器都会把量子信号（电子跳跃）转换成可记录的经典数据——即一次从量子到经典的转化过程。

令人惊讶的熵源——测量！

研究人员分别计算了双量子点和测量装置各自产生的熵（耗散的能量）。结果显示：读取量子时钟（把微弱信号转成可记录数据）所需的能量，竟然比时钟本身运行所需的能量高出多达十亿倍。

运行一个量子时钟（左：单电子在两个纳米区域间跳跃）与读取时钟滴答（右）之间的能量差异。读取时钟所需能量大约是运行时钟所需能量的十亿倍。（图/Natalia Ares、Vivek Wadhia、Federico Fedele。）

这颠覆了量子物理学中“测量成本可以忽略不计”的普遍假设。它揭示了一个令人意外的洞见：正是测量这一行为，让过程变得不可逆，从而赋予了时间前进的方向。

这推翻了一个普遍的观点——认为更高效的时钟需要依赖更优的量子系统。而事实则正好相反——未来研究更需要聚焦于如何以更智能、更节能的方式来测量时间的流逝。

不过，研究人员指出，额外的测量能量能带来更多关于时钟行为的信息：不仅是滴答次数，还包括每个细微变化的详细记录。这为更高效地获得高精度时钟开辟了新的可能性。

研究人员的下一步计划是理解支配着纳米尺度设备的效率的基本原则，从而设计出像自然界那样，能以更高效率进行计算与计时的自主设备。

#参考来源：

https://eng.ox.ac.uk/news/reading-a-quantum-clock-costs-more-energy-than-running-it

https://physics.aps.org/articles/v18/182

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/5rtj-djfk

#图片来源：

封面图&首图：Lucas Santos / Unsplash