Физици предложиха модел на автономни квантови часовници, при които точността нараства експоненциално по-бързо, отколкото се увеличават енергийните загуби. Това поставя под съмнение фундаменталното ограничение, според което отчитането на времето във физиката е невъзможно без разходи: всяко тиктакане на което и да е устройство е съпроводено с увеличаване на ентропията.

 Не става въпрос само за енергийната ефективност – става въпрос за задълбочено преразглеждане на връзката между времето, измерването и втория закон на термодинамиката.

 

За да се разбере значението на откритието, си струва да се припомни: всички фундаментални уравнения на физиката са симетрични по време. Реалният свят обаче е организиран по различен начин – ние усещаме потока на времето, правим разлика между минало и бъдеще. Смята се, че причината за тази асиметрия се крие във втория закон на термодинамиката: ентропията (мярката за безпорядъка) в затворена система не намалява с времето. Всеки необратим процес, включително измерването на времето, води до увеличаване на ентропията. Дори идеалните часовници – от махалото до атомните часовници – заплащат за всяко тиктакане чрез увеличаване на безпорядъка в околната среда.

Това важи с още по-голяма сила за квантовата физика, която се занимава със системи, съставени от броени частици. При подобни мащаби дори микроскопична топлинна пертурбация може да разруши работата на дадено устройство. Ето защо изучаването на фундаменталните ограничения върху точността на квантовите часовници се превърна в едно от централните направления на съвременната теоретична физика.

Авторите на статията предлагат теоретична схема на квантови часовници, основана на спинова верига – система от няколко взаимодействащи си квантови възела. Във всеки момент от време само един от тях е във възбудено състояние. Това възбуждане се предава от възел на възел по протежение на един затворен пръстен. Всеки пълен цикъл на движението му е еднократно „цъкане“.

Ключовият елемент на модела е асиметрията в предаването. Последният участък от веригата създава топлинен градиент, т.е. температурна разлика, която определя предпочитаната посока на движение. Това позволява възбуждането да бъде „изтласкано“ напред и системата да е в състояние да тиктака без външно управление. В същото време дисипацията – т.е. необратимата загуба на енергия – се осъществява само в едното кръстовище на пръстена. Останалата част от системата функционира кохерентно: вълновият сигнал преминава през нея без изкривявания или загуби, пише още Kaldata.com.

Моделът работи като вълновод: възбуждането, възникващо в една част на пръстена, се трансформира в тесен вълнови пакет, който се движи по веригата и се поглъща в другия край. За тази цел пръстеновидната структура е разделена на три области. В първата възбуждането се оформя и компресира. Във втората то се предава стабилно с фиксирана скорост. В третата област то се поглъща без отражение. При тази архитектура се избягват възвратите и се постига висока регулярност.

 

Часовникът се анализира от гледна точка на статистиката на времето между тиктаканията. Идеалният механизъм трябва да тиктака на постоянен интервал. В действителност са възможни отклонения: сигналът може да се забави или да пристигне по-рано. Тези колебания се измерват с помощта на коефициента на Фано – отношението на средното време към неговата дисперсия. Колкото по-малка е дисперсията и колкото по-висока е стабилността, толкова по-висока е точността.

 

В повечето модели точността е ограничена пропорционално на количеството произведена ентропия. В предложената схема обаче тази зависимост е нарушена. При фиксирани загуби точността може да се увеличи чрез удължаване на пръстена. Изследването показва, че точността се увеличава експоненциално, докато разходите нарастват само логаритмично. Това означава, че чрез добавяне на нови възли е възможно да се увеличи точността практически без увеличение на енергийните разходи.

Обсъдени са и възможни реализации. Архитектурата може да бъде въплътена като вериги от свързани микровълнови резонатори – така наречените CCA. Подобни структури вече се използват в квантовите компютри, те са добре контролирани и позволяват фина настройка на взаимодействията. За регистриране на тиктаканията могат да се използват детектори за квантови скокове или фотонни капани – и двата метода вече се използват в експериментите.

Освен приложенията – например в квантовата синхронизация или генерирането на единични фотони – новата научна работа повдига фундаментални въпроси. Ако една система е в състояние да отчита времето с висока точност, без да увеличава ентропията, тогава може би посоката на времето не винаги трябва да е свързана с термодинамичната стрелка. Това не отменя втория закон, а показва, че влиянието му може да бъде сведено до минимум в правилно организираните квантови системи.

 

И така, науката вече знае, че физическите граници на измерването на времето в квантовия свят са по-гъвкави, отколкото се смяташе. А това означава, че на хоризонта се появяват нови подходи за конструиране на часовници, квантови процесори и комуникационни системи, способни да работят стабилно и практически без енергийни загуби.