Оксфордські вчені створили квантовий годинник, що використовує стрибки одиночних електронів, і виявили, що вимірювання його тикань споживає в мільярд разів більше енергії, ніж саме функціонування годинника.

Дослідження, опубліковане в Physical Review Letters, розкриває неочікуване джерело ентропії — сам процес спостереження. Якщо традиційні годинники базуються на незворотних процесах, то на квантовому рівні ці процеси слабкі або майже відсутні. Це ускладнює точне відстеження часу, що є критично важливим для квантових сенсорів і навігаційних систем. Команда дослідників створила пристрій, в якому «кожен стрибок електрона між двома квантовими точками виконує роль тикань».

Щоб зрозуміти енергетичну вартість такого часу, вчені використали два методи вимірювання: надточне електричне зчитування та радіохвильове виявлення. Обидва методи перетворювали квантові події на класичну інформацію — процес, що сам по собі потребує ресурсу. Було виявлено, що детектори, які зчитують сигнали годинника, споживають до мільярда разів більше енергії, ніж сам годинниковий механізм.

«Наш експеримент відкрив несподіваний поворот — саме вимірювання, а не робота годинника, формує основну частину енергетичних витрат», — зазначила професорка Наталія Арес. Такий дисбаланс, на думку науковців, може мати і позитив: завдяки високій енергетичній вартості можна отримати детальніші дані про поведінку квантового годинника. Це дозволить створювати надточні й ефективні пристрої.

«Результати свідчать, що ентропія, створена в процесі посилення та зчитування тикань, є фундаментальною термодинамічною вартістю часу на квантовому рівні», — підкреслив аспірант Вівек Вадхіа. Наступним кроком стане вивчення принципів ефективності в наносистемах, аби наблизити їхню роботу до природної гармонії, властивої біологічним системам.

«Наше дослідження зачіпає глибокі фізичні питання, включно з тим, чому час тече лише вперед», — зазначив Флоріан Маєр з TU Wien. Спостереження, як показано в дослідженні, і є тим чинником, що створює стрілку часу, пов’язуючи термодинаміку з інформаційною наукою.

Цей прорив відкриває шлях до нового бачення квантових пристроїв, де головним елементом стає ефективність самого процесу вимірювання, а не тільки вдосконалення елементної бази.