Атомные часы повышают точность, преодолевая ограничение потребления энергии
Нанотехнологии
Редакционная группа сайта «Технологические инновации» - 16.06.2025
Художественное представление часов-колец, созданных из кольца атомов, позволяющих сверхточно измерять время. Одна квантовая частица когерентно вращается по кольцу — каждый оборот — это тик, что позволяет часам преодолеть термодинамические ограничения классических часов. [Изображение: Александр Роммель/TU Wien]
Более точные квантовые часы
Группа физиков и инженеров из Австрии, Мальты и Швеции обнаружила, что атомные часы , которые и без того являются самыми точными из существующих устройств, могут значительно повысить точность, не затрачивая при этом большого количества энергии.
Флориан Майер и его коллеги продемонстрировали, что можно значительно превзойти пределы точности, предполагаемые до сих пор, увеличивая временную точность экспоненциально. Это не только проложит путь для следующего поколения высокоточных измерений и мониторинга сверхбыстрых событий, но и прольет свет на одну из величайших загадок физики: связь между квантовой физикой и термодинамикой .
Атомные часы работают на основе фундаментальных законов квантовой физики, но эти законы всегда предполагают некоторую степень неопределенности. В результате приходится жить с некоторой случайностью, определенным уровнем статистического шума, что приводит, в случае часов, к фундаментальным ограничениям точности, которая может быть достигнута при заданном расходе энергии.
Поэтому до сих пор казалось непреложным законом, что создание часов, вдвое более точных, чем предыдущие, потребует как минимум вдвое больше энергии.
Теперь команда продемонстрировала, что это правило можно обойти и экспоненциально повысить точность атомных часов, просто построив атомные часы с использованием двух разных шкал времени — аналогично тому, что происходит в обычных часах, у которых есть секундная и минутная стрелки.
Часы состоят из кольца из n квантовых систем («чашек»), которые содержат одно возбуждение, перемещающееся по кольцу. Завершая цикл, часы тикают, перескакивая с последнего на первый участок. [Изображение: Флориан Мейер и др. - 10.1038/s41567-025-02929-2]
Почему измерение времени увеличивает энтропию?
Чтобы понять связь между точностью измерения времени и потреблением энергии, необходимо помнить, что измерение времени увеличивает энтропию Вселенной .
Любые часы состоят из двух компонентов: генератора временной базы, которым может быть маятник или колебания атома, и счетчика — любого механизма, который подсчитывает, сколько раз прошла эта базовая единица времени.
Генератор временной базы всегда может вернуться в то же самое состояние: После одного полного колебания маятник маятниковых часов оказывается точно там, где он был до этого; после определенного количества колебаний атом цезия в атомных часах возвращается в то же самое состояние, в котором он был до этого. Счетчик же должен измениться, иначе часы бесполезны.
«Это означает, что каждые часы должны быть связаны с необратимым процессом», — объясняет профессор Флориан Майер из Венского технического университета. «На языке термодинамики это означает, что каждые часы увеличивают энтропию, или дисперсию энергии, во Вселенной; в противном случае это не часы».
Маятник классических часов генерирует небольшое количество тепла и беспорядка среди молекул воздуха вокруг него, а каждый лазерный луч, считывающий состояние атомных часов, генерирует тепло, излучение и, следовательно, энтропию.
«Теперь мы можем посчитать, сколько энтропии должны были бы генерировать гипотетические часы с очень высокой точностью, и, следовательно, сколько энергии потребовалось бы таким часам», — объясняет профессор Маркус Хубер. «До сих пор, казалось, существовала линейная зависимость: если вы хотите в тысячу раз большей точности, вам нужно генерировать как минимум в тысячу раз больше энтропии и использовать в тысячу раз больше энергии».
Как повысить точность без увеличения энтропии
Однако теперь все изменилось. Хотя та же идея из предыдущего раздела все еще верна, команда обнаружила, что ее можно обойти с помощью простого трюка: используя две разные шкалы времени, как у аналоговых часов есть минутная и секундная стрелки.
Фактически, можно добавить целый ряд вторичных устройств для измерения времени, а затем подсчитать, сколько из них прошло — подобно тому, как минутная стрелка подсчитывает, сколько оборотов сделала секундная стрелка, или часовая стрелка подсчитывает, сколько оборотов совершила минутная стрелка.
В классических часах это увеличение масштаба также увеличивает энтропию, которая генерируется, когда одна стрелка перемещается в новое место, когда другая совершает оборот. Другими словами, увеличение точности требует затрат большего количества энергии. Однако квантовая физика также допускает другой тип переноса частиц: частицы могут перемещаться по всей структуре, то есть по всему циферблату часов, не будучи нигде измеренными. В некотором смысле, частица находится везде одновременно во время этого процесса; она не имеет четко определенного местоположения, пока она, наконец, не прибудет - и только тогда она фактически измеряется, то есть только эта часть всего процесса является необратимой, увеличивая энтропию.
«Таким образом, у нас есть быстрый процесс, который не вызывает энтропии — квантовый перенос — и медленный, а именно прибытие частицы в самый конец», — объясняет Юрий Миногучи, член команды. «Важнейшим моментом нашего метода является то, что одна сторона ведет себя исключительно в терминах квантовой физики, и только другая, более медленная сторона, имеет эффект генерации энтропии».
Результатом является то, что эта стратегия позволяет экспоненциально увеличивать точность атомных часов с каждым увеличением энтропии. Это означает, что можно достичь гораздо большей точности, чем считалось ранее, используя предыдущие теории.
«Это важный результат для исследований в области высокоточных квантовых измерений и подавления нежелательных флуктуаций, и в то же время он помогает нам лучше понять одну из величайших неразгаданных тайн физики: связь между квантовой физикой и термодинамикой», — заключил Хубер.
Статья: Точность не ограничена вторым законом термодинамики
Авторы: Флориан Майер, Юрий Миногучи, Саймон Сунделин, Тони Дж. Г. Аполларо, Пол Эркер, Симоне Гаспаринетти, Маркус ХуберRevista: Nature PhysicsDOI: 10.1038/s41567-025-02929-2
Другие новости о:
inovacaotecnologica
