オックスフォード大学の科学者たちは、小さな量子時計を読むのに、時計自体を動作させるよりも最大10億倍のエネルギーが必要であることを発見した。この発見は、11月14日にPhysical Review Lettersに掲載され、量子時間計測における測定の大きな熱力学的コストを強調している。この研究は、量子デバイスにおけるエネルギー効率の仮定に挑戦し、観測を時間の不可逆性と結びつける。
オックスフォード大学主導のチームは、2つのナノスケールの領域間で単一の電子がホッピングする二重量子ドットを使用して、ミニチュアの量子時計を構築した。各電子のホッピングは時計のティックとして機能し、量子スケールで伝統的な時間計測を模倣する。これらのティックを監視するために、研究者たちは2つの方法を採用した：微小な電流を検出するものと、無線周波数を使用してシステムの微妙な変化を観察するもの。これらの手法は、量子イベントを古典的で記録可能な情報に変換する。
計算により、明らかな不均衡が明らかになった：測定装置によって生成されるエントロピー——時計の信号を増幅し読み取る——は、時計自体の動作によって生成されるものよりも最大10億倍大きい。この測定プロセスは不可逆性を導入し、研究者たちはこれを時間に前方方向を与える鍵となる要因として特定している。以前、量子物理学ではそのような測定コストは無視できるものと考えられていた。
主著者であるオックスフォード大学工学科学部門のナタリア・アレス教授は述べた：「最小スケールで動作する量子時計は、時間計測のエネルギーコストを低減すると期待されていたが、私たちの新しい実験は驚くべきひねりを明らかにする。代わりに、量子時計では量子ティックが時計機構自体をはるかに上回る。」
共著者のビベク・ワディア、同じ部門の博士課程学生は付け加えた：「私たちの結果は、文献でしばしば無視されてきた時計のティックの増幅と測定によって生成されるエントロピーが、量子スケールでの時間計測の最も重要で基本的な熱力学的コストであることを示唆している。次のステップは、ナノスケールデバイスにおける効率を支配する原則を理解し、自然がするように、計算し時間保持をはるかに効率的に行う自律デバイスを設計することである。」
共著者のフロリアン・マイヤー、Technische Universität Wienの博士課程学生は指摘した：「量子時計を超えて、この研究は物理学の深い質問に触れ、時間がいかに一方向に流れるかを含む。測定行為自体——単なるティックではなく——が時間に前方方向を与えることを示すことで、これらの新しい発見は、エネルギーの物理学と情報の科学の間の強力なつながりを描く。」
TU WienとTrinity College Dublinの協力者を含むこの研究は、効率的な測定設計が量子センサー、航法システム、および他の時間依存技術を強化できることを示唆している。それは時計部品の改善から情報抽出の最適化への焦点を移す。