|
Повышение точности квантовых часов
|
|
|
|
Как можно использовать странные свойства квантовых частиц для выполнения чрезвычайно точных измерений? Этот вопрос лежит в основе исследований в области квантовой метрологии. Одним из примеров являются атомные часы, которые используют квантовые свойства атомов для гораздо более точного измерения времени, чем это было бы возможно с помощью обычных часов.
|
|
|
|
Однако фундаментальные законы квантовой физики всегда предполагают определенную степень неопределенности. Необходимо учитывать некоторую случайность или определенное количество статистического шума. Это приводит к существенным ограничениям на точность, которая может быть достигнута. До сих пор казалось непреложным законом, что для того, чтобы часы были в два раза точнее, требуется по меньшей мере в два раза больше энергии.
|
|
|
|
Теперь команда исследователей из Венского технического университета, Технологического университета Чалмерса, Швеция, и Мальтийского университета продемонстрировала, что для экспоненциального увеличения точности можно использовать специальные приемы. Ключевым моментом является использование двух разных временных шкал — аналогично тому, как у часов есть секундная и минутная стрелки. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
|
|
|
|
|
|
|
Что такое часы?
|
|
|
|
"Мы проанализировали, какие часы могут быть теоретически возможны", - говорит профессор. Маркус Хубер из Атомного института в Венском университете. "Для каждых часов необходимы два компонента: во-первых, генератор временной базы, такой как маятник в маятниковых часах, или даже квантовое колебание. И, во—вторых, счетчик - любой элемент, который подсчитывает, сколько единиц времени, определенных генератором временной базы, уже прошло."
|
|
|
|
Генератор временной базы всегда может вернуться в точно такое же состояние. После одного полного колебания маятник маятниковых часов находится точно там же, где и раньше. После определенного числа колебаний атом цезия в атомных часах возвращается в точно такое же состояние, в котором он был раньше. С другой стороны, счетчик должен быть заменен — в противном случае часы бесполезны.
|
|
|
|
"Это означает, что все часы должны быть подключены к необратимому процессу", - говорит Флориан Майер из университета Вены. "На языке термодинамики это означает, что каждые часы увеличивают энтропию во Вселенной; в противном случае это не часы". Маятник маятниковых часов генерирует небольшое количество тепла и беспорядка среди молекул воздуха вокруг него, а каждый лазерный луч, который считывает состояние атомных часов, генерирует тепло, излучение и, следовательно, энтропию.
|
|
|
|
"Теперь мы можем рассмотреть, сколько энтропии должны были бы генерировать гипотетические часы с чрезвычайно высокой точностью и, соответственно, сколько энергии потребовалось бы таким часам", — говорит профессор. Хубер. "До сих пор казалось, что существует линейная зависимость: если вы хотите в тысячу раз повысить точность, вы должны генерировать по меньшей мере в тысячу раз больше энтропии и расходовать в тысячу раз больше энергии".
|
|
|
|
Квантовое и классическое время
|
|
|
|
Однако исследовательская группа Венского университета совместно с Австрийской академией наук (OAW) в Вене и командами из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Мальтийского университета показали, что это очевидное правило можно обойти, используя две разные временные шкалы.
|
|
|
|
"Например, вы можете использовать частицы, которые перемещаются из одной области в другую, для измерения времени, подобно тому, как песчинки указывают время, падая с верхней части стакана на дно", - говорит Мейер. Вы можете последовательно подключить целую серию таких устройств для измерения времени и подсчитать, сколько из них уже пройдено - аналогично тому, как одна стрелка часов подсчитывает, сколько кругов уже прошла другая стрелка часов.
|
|
|
|
"Таким образом, вы можете повысить точность, но не без дополнительных затрат энергии", - говорит проф. Хубер. "Потому что каждый раз, когда одна стрелка часов совершает полный оборот, а другая стрелка часов измеряется в новом положении — можно также сказать, что каждый раз, когда окружающая среда замечает, что эта стрелка переместилась в новое положение, — энтропия увеличивается. Этот процесс подсчета необратим".
|
|
|
|
Однако квантовая физика допускает и другой вид переноса частиц: частицы также могут перемещаться по всей структуре, то есть по всему циферблату часов, нигде не измеряясь. В некотором смысле, во время этого процесса частица оказывается одновременно везде; у нее нет четко определенного местоположения, пока она, наконец, не прибудет — и только тогда ее можно будет реально измерить, в необратимом процессе, который увеличивает энтропию.
|
|
|
|
Как секундная и минутная стрелки часов.
|
|
|
|
"Таким образом, мы имеем быстрый процесс, который не вызывает энтропии, — квантовый перенос, — и медленный, а именно прибытие частицы в самом конце", - объясняет Юрий Миногучи из TU Wien. "Ключевым моментом в нашем методе является то, что одна стрелка ведет себя исключительно с точки зрения квантовой физики, и только другая, более медленная стрелка, на самом деле генерирует энтропию".
|
|
|
|
Теперь команда смогла показать, что эта стратегия позволяет экспоненциально повышать точность при увеличении энтропии. Это означает, что может быть достигнута гораздо более высокая точность, чем предполагалось в соответствии с предыдущими теориями.
|
|
|
|
"Более того, эта теория может быть проверена в реальном мире с использованием сверхпроводящих схем, одной из самых передовых квантовых технологий, доступных в настоящее время", - говорит Симоне Гаспаринетти, соавтор исследования и руководитель экспериментальной группы в Чалмерсе.
|
|
|
|
"Это важный результат для исследований в области высокоточных квантовых измерений и подавления нежелательных флуктуаций", - говорит профессор Хубер. В то же время он помогает нам лучше понять одну из величайших неразгаданных тайн физики: связь между квантовой физикой и термодинамикой".
|
|
|
|
Источник
|
