Обмануть Вселенную: находка физиков ломает логику нашего мира, и это отлично

Современные технологии открывают удивительные горизонты в измерении времени, используя загадочные особенности квантового мира.

В центре внимания находится область квантовой метрологии, которая исследует, как странное поведение квантовых частиц может помочь проводить измерения с невероятной точностью. Например, атомные часы, работающие на основе квантовых свойств атомов, уже давно превзошли по точности любые традиционные механизмы.

Однако законы квантовой физики накладывают свои ограничения. Всегда присутствует определённая доля неопределённости, связанная со случайными колебаниями или так называемым статистическим шумом, что создаёт барьеры на пути к идеальной точности.

Ранее считалось, что для удвоения точности измерений необходимо как минимум удвоить энергозатраты. Но недавние исследования, проведённые международной командой из университетов Австрии, Швеции и Мальты, показали, что эти ограничения можно преодолеть, если использовать одновременно две разные временные шкалы — подобно тому, как в обычных часах работают секундная и минутная стрелки.

Один из исследователей отметил, что в основе любых часов лежат два ключевых элемента. Первый — это генератор временной базы, например, маятник в классических часах или квантовые колебания в более сложных системах. Второй — счётчик, который фиксирует, сколько временных единиц прошло. Генератор всегда возвращается в исходное состояние после каждого цикла, будь то движение маятника или колебания атомов цезия в атомных часах. Счётчик же, напротив, должен изменяться, иначе устройство теряет смысл.

Другой участник исследования подчеркнул, что работа любых часов связана с необратимыми процессами. С точки зрения термодинамики, это означает, что каждые часы увеличивают хаос, или энтропию, во Вселенной. Например, маятник в часах создаёт тепло, рассеивая энергию в окружающем воздухе, а лазер, считывающий состояние атомов в атомных часах, также производит тепло и излучение, увеличивая беспорядок.

До недавнего времени считалось, что существует прямая зависимость между точностью часов и энергозатратами. Один из авторов исследования пояснил, что для повышения точности в тысячу раз требовалось как минимум в тысячу раз больше энергии и, соответственно, увеличение энтропии.

Однако новая работа показала, что эти ограничения можно обойти, если использовать две разные шкалы времени. Один из исследователей привёл пример: можно измерять время, отслеживая перемещение частиц из одной области в другую, подобно песчинкам в песочных часах. Если соединить несколько таких устройств в цепочку, можно подсчитывать, сколько циклов прошло, как это делают стрелки часов, отслеживая движение друг друга.

При этом, как отметил другой участник исследования, повышение точности всё равно требует дополнительных затрат энергии.

Каждый раз, когда одна "стрелка" завершает полный цикл, а другая фиксирует это изменение, энтропия увеличивается, так как процесс подсчёта необратим.

Но квантовая физика предлагает альтернативный подход. Частицы могут перемещаться по всей системе, не фиксируясь в определённой точке, пока не достигнут конечной цели. В этом состоянии частица как бы находится везде одновременно, и только в момент фиксации происходит необратимый процесс, увеличивающий энтропию.

Один из авторов исследования объяснил, что их метод основан на сочетании двух процессов. Первый — быстрый квантовый перенос, который не создаёт энтропии. Второй — более медленный процесс фиксации, который и приводит к увеличению беспорядка. Важно, что одна часть системы работает исключительно в рамках квантовой физики, а другая, более медленная, отвечает за необратимые изменения.

Этот подход позволил добиться экспоненциального роста точности при сравнительно небольшом увеличении энергозатрат, что опровергает прежние представления о линейной зависимости. Один из участников исследования добавил, что эту теорию можно проверить на практике, используя современные сверхпроводящие схемы — одну из самых передовых технологий в квантовом мире.

Авторы исследования отметили, что их работа не только открывает путь к созданию сверхточных измерительных устройств, но и помогает глубже понять связь между квантовой физикой и термодинамикой — одну из самых загадочных областей современной науки. Эти открытия могут найти применение в самых разных сферах, от высокоточных измерений до подавления нежелательных колебаний в квантовых системах.

Уточнения

Ква́нтовая фи́зика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.