Forskare vid University of Oxford har upptäckt att att läsa av en liten kvantklocka kräver upp till en miljard gånger mer energi än att driva klockan själv. Detta fynd, publicerat den 14 november i Physical Review Letters, belyser den betydande termodynamiska kostnaden för mätning i kvanttidsmätning. Forskningen utmanar antaganden om energieffektivitet i kvantdatorer och kopplar observation till tidens irreversibilitet.
Ett team ledd av University of Oxford byggde en miniatyr kvantklocka med hjälp av enskilda elektroner som hoppar mellan två nanoskala-regioner, kända som en dubbel kvantpunkt. Varje elektronhopp fungerar som ett klocktick, som efterliknar traditionell tidsmätning på kvantnivån. För att övervaka dessa tickar använde forskarna två metoder: en som detekterar små elektriska strömmar och en annan som använder radiovågor för att observera subtila systemförändringar. Dessa tekniker omvandlar kvantfenomen till klassisk, registrerbar information.
Beräkningar avslöjade en skarp obalans: entropin som genereras av mätanordningarna — förstärkning och läsning av klockans signaler — kan vara upp till en miljard gånger större än den som produceras av klockans egen drift. Denna mätprocess introducerar irreversibilitet, som forskarna identifierar som den nyckelfaktor som ger tiden dess framåtriktning. Tidigare ansågs sådana mätkostnader försumbara i kvantfysik.
Huvudförfattaren professor Natalia Ares från University of Oxfords avdelning för ingenjörsvetenskap uppgav: «Kvantklockor som körs på de minsta skalorna förväntades sänka energikostnaden för tidsmätning, men vårt nya experiment avslöjar en överraskande vändning. Istället överstiger kvanttickarna i kvantklockor långt de från klockverket självt.»
Medförfattaren Vivek Wadhia, doktorand i samma avdelning, tillade: «Våra resultat tyder på att entropin som produceras av förstärkning och mätning av en klockas tickar, som ofta ignorerats i litteraturen, är den viktigaste och mest grundläggande termodynamiska kostnaden för tidsmätning på kvantnivån. Nästa steg är att förstå principerna som styr effektivitet i nanoskala-enheter så att vi kan designa autonoma enheter som beräknar och håller tid mycket mer effektivt, som naturen gör.»
Medförfattaren Florian Meier, doktorand vid Technische Universität Wien, noterade: «Utöver kvantklockor berör forskningen djupa frågor i fysik, inklusive varför tiden flyter i en riktning. Genom att visa att det är akten av att mäta — inte bara tickandet självt — som ger tiden dess framåtriktning, drar dessa nya fynd en kraftfull koppling mellan energins fysik och informationsvetenskapen.»
Studien, som involverar samarbetspartners från TU Wien och Trinity College Dublin, föreslår att effektiva mätningar kan förbättra kvantsensorer, navigationssystem och andra tidberoende teknologier. Den skiftar fokus från att förbättra klockkomponenter till att optimera informationsutvinning.