Тези часовници не просто вървят. Те маршируват през термодинамиката –

Тези часовници не просто вървят. Те маршируват през термодинамиката – и никой закон не дръзва да ги спре.

Физици предложиха модел на самостоятелни квантови часовници, при които точността нараства експоненциално по-бързо, в сравнение с се усилват енергийните загуби. Това слага под подозрение фундаменталното ограничаване, съгласно което отчитането на времето във физиката е невероятно без разноски: всяко цъкане на което и да е устройство е съпроводено с увеличение на ентропията. Не става въпрос единствено за енергийната успеваемост – става въпрос за задълбочено преразглеждане на връзката сред времето, измерването и втория закон на термодинамиката.

За да се разбере смисъла на откритието, си коства да се напомни: всички фундаментални уравнения на физиката са симетрични по време. Реалният свят обаче е проведен по друг метод – ние усещаме потока на времето, вършим разлика сред минало и бъдеще. Смята се, че повода за тази асиметрия се крие във втория закон на термодинамиката: ентропията (мярката за безпорядъка) в затворена система не понижава с времето. Всеки необратим развой, в това число измерването на времето, води до увеличение на ентропията. Дори идеалните часовници – от махалото до атомните часовници – заплащат за всяко цъкане посредством увеличение на безпорядъка в околната среда.

Това важи с още по-голяма мощ за квантовата физика, която се занимава със системи, формирани от броени частици. При сходни мащаби даже микроскопична топлинна пертурбация може да унищожи работата на обещано устройство. Ето за какво проучването на фундаменталните ограничавания върху точността на квантовите часовници се трансформира в едно от централните посоки на актуалната теоретична физика.

Авторите на публикацията оферират теоретична скица на квантови часовници, учредена на спинова верига – система от няколко взаимодействащи си квантови възела. Във всеки миг от време единствено един от тях е във възбудено положение. Това възбуждане се предава от възел на възел по продължение на един затворен пръстен. Всеки цялостен цикъл на придвижването му е еднократно „ тиктакане “.

Ключовият детайл на модела е асиметрията в предаването. Последният сектор от веригата основава топлинен градиент, т.е. температурна разлика, която дефинира желаната посока на придвижване. Това разрешава възбуждането да бъде „ изтласкано “ напред и системата да е в положение да тиктака без външно ръководство. В същото време дисипацията – т.е. необратимата загуба на сила – се реализира единствено в едното кръстовище на пръстена. Останалата част от системата действа кохерентно: вълновият сигнал минава през нея без изкривявания или загуби.

Моделът работи като вълновод: възбуждането, зараждащо в една част на пръстена, се трансформира в стеснен вълнови пакет, който се движи по веригата и се гълтам в другия край. За тази цел пръстеновидната конструкция е разграничена на три области. В първата възбуждането се оформя и компресира. Във втората то се предава устойчиво с закрепена скорост. В третата област то се гълтам без отражение. При тази архитектура се заобикалят възвратите и се реализира висока регулярност.

Часовникът се проучва от позиция на статистиката на времето сред тиктаканията. Идеалният механизъм би трябвало да тиктака на непрекъснат период. В реалност са вероятни отклонения: сигналът може да се забави или да дойде по-рано. Тези съмнения се мерят благодарение на коефициента на Фано – отношението на междинното време към неговата дисперсия. Колкото по-малка е дисперсията и колкото по-висока е стабилността, толкоз по-висока е точността.

В множеството модели точността е лимитирана съразмерно на количеството създадена ентропия. В препоръчаната скица обаче тази взаимозависимост е нарушена. При закрепени загуби точността може да се усили посредством удължение на пръстена. Изследването демонстрира, че точността се усилва експоненциално, до момента в който разноските нарастват единствено логаритмично. Това значи, че посредством прибавяне на нови възли е допустимо да се усили точността на практика без нарастване на енергийните разноски.

За да потвърдят това, създателите построяват математически модел, описващ еволюцията на системата посредством уравнението на Линдблад – общоприет инструмент в теорията на отворените квантови системи. То разрешава да се вземат поради както кохерентната динамичност, по този начин и термичните преходи сред положенията. Ключовият преход, скокът на възбуждане от последния към първия възел, се моделира като квантов скок, провокиран от топлинен градиент. Другите преходи са без загуби.

В допълнение към точността откривателите правят оценка и стабилността на модела. В действителни условия е невероятно параметрите да бъдат заложени съвършено: взаимоотношенията сред възлите могат да се разграничават от изчислените, а в системата може да навлезе звук. Учените моделирали тези нарушавания и открили, че до избрана граница пръстенът остава постоянен. Дори при умерени изкривявания се резервира експоненциално повишаване на точността, до момента в който дължината на веригата не надвиши избрана сериозна стойност.

Обсъдени са и вероятни реализации. Архитектурата може да бъде въплътена като вериги от свързани микровълнови резонатори – по този начин наречените CCA. Подобни структури към този момент се употребяват в квантовите компютри, те са добре следени и разрешават фина конфигурация на взаимоотношенията. За вписване на тиктаканията могат да се употребяват детектори за квантови скокове или фотонни клопки – и двата метода към този момент се употребяват в опитите.

Освен приложенията – да вземем за пример в квантовата синхронизация или генерирането на единични фотони – новата научна работа повдига фундаментални въпроси. Ако една система е в положение да регистрира времето с висока акуратност, без да усилва ентропията, тогава може би посоката на времето не постоянно би трябвало да е обвързвана с термодинамичната стрелка. Това не анулира втория закон, а демонстрира, че въздействието му може да бъде сведено до най-малко в вярно проведените квантови системи.

И по този начин, науката към този момент знае, че физическите граници на измерването на времето в квантовия свят са по-гъвкави, в сравнение с се смяташе. А това значи, че на хоризонта се появяват нови подходи за конструиране на часовници, квантови процесори и информационни системи, способни да работят устойчиво и на практика без енергийни загуби.