最新令人费解的物理学突破可能会重新定义时钟

如何利用量子粒子的奇特特性来执行极其精确的测量？这个问题是量子计量学研究领域的核心。一个例子是原子钟，它利用原子的量子特性来测量时间，比传统时钟更准确。

然而，量子物理学的基本定律总是涉及一定程度的不确定性。必须接受一些随机性或一定量的统计噪声。这导致了可以实现的精度的根本限制。到目前为止，精度两倍的时钟至少需要两倍的能量，这似乎是一个不变的定律。但现在，来自维也纳工业大学、瑞典查尔姆斯理工大学和马耳他大学的一组研究人员已经证明，可以使用特殊技巧来成倍地提高精度。关键是使用两种不同的时间刻度——类似于时钟有秒针和分针的方式。

时钟到底是什么？

“我们原则上分析了哪些时钟在理论上是可能的，”维也纳工业大学原子研究所的 Marcus Huber 教授说。“每个时钟都需要两个组件：首先，时基发生器 - 例如摆钟中的钟摆，甚至是量子振荡。第二种是计数器 - 计算时基生成器定义的已经经过多少个时间单位的任何元素。

时基生成器始终可以返回到完全相同的状态。在一次完全振荡之后，摆钟的摆锤正好在它之前的位置。经过一定数量的振荡后，原子钟中的铯原子恢复到与之前完全相同的状态。另一方面，计数器必须改变 - 否则时钟毫无用处。

“这意味着每个时钟都必须连接到一个不可逆的过程，”维也纳工业大学的 Florian Meier 说。“用热力学的语言来说，这意味着每个时钟都会增加宇宙中的熵;否则，它就不是时钟。摆钟的钟摆在其周围的空气分子中产生一点热量和无序，每个读取原子钟状态的激光束都会产生热量、辐射，从而产生熵。

“我们现在可以考虑一个具有极高精度的假设时钟必须产生多少熵，以及相应地，这样的时钟需要多少能量，”Marcus Huber 说。“到目前为止，似乎存在一种线性关系：如果你想要一千倍的精度，你必须产生至少一千倍的熵并消耗一千倍的能量。”

量子时间和经典时间

然而，维也纳工业大学的研究团队与维也纳的奥地利科学院 （ÖAW） 以及瑞典查尔姆斯理工大学和马耳他大学的团队一起，现在已经表明，这个明显的规则可以通过使用两种不同的时间尺度来规避。

“例如，你可以使用从一个区域移动到另一个区域的粒子来测量时间，类似于沙粒从玻璃顶部落到底部来指示时间的方式，”Florian Meier 说。你可以将一系列这样的时间测量设备串联起来，并计算它们中已经通过的数量——类似于一个时钟指针计算另一个时钟指针已经完成了多少圈。

“这样，你可以提高精度，但不能不投入更多的精力，”Marcus Huber 说。“因为每次一根时钟指针完成一整圈，而另一根时钟指针在新的位置被测量时——你也可以说，每当它周围的环境注意到这根指针已经移动到一个新的位置时——熵就会增加。这个计数过程是不可逆的。

然而，量子物理学还允许另一种粒子传输：粒子也可以穿过整个结构，即穿过整个时钟表盘，而无需在任何地方进行测量。从某种意义上说，在这个过程中，粒子同时无处不在;在它最终到达之前，它没有明确定义的位置——只有到那时，它才会被实际测量，在一个不可逆的过程中增加熵。

就像秒针和分针一样

“因此，我们有一个不引起熵的快速过程 - 量子传输 - 和一个缓慢的过程，即粒子在最后到达，”维也纳工业大学的 Yuri Minoguchi 解释说。“我们方法的关键在于，一只手的行为纯粹是量子物理学，只有另一只较慢的手实际上具有熵产生效应。”

该团队现在已经能够证明，这种策略使每增加熵一次，精度就会呈指数级增长。这意味着可以实现比以前理论认为的更高的精度。“更重要的是，该理论可以使用超导电路在现实世界中进行测试，超导电路是目前可用的最先进的量子技术之一，”该研究的合著者、查尔默斯实验团队的负责人 Simone Gasparinetti 说。“这是研究高精度量子测量和抑制不需要的波动的重要结果，”Marcus Huber 说，“同时它帮助我们更好地理解物理学中未解之谜之一：量子物理学和热力学之间的联系。

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