Meranie času kvantových hodín je oveľa náročnejšie, než ich fungovanie: Vedci natrafili na chyták bizarného kvantového sveta
Výskumníci predstavujú zaujímavý problém kvantových hodín, ktorý by nás bežne nenapadol.
Vedci odhalili prekvapivý paradox kvantového sveta, merať čas v mikroskopických zariadeniach môže spotrebovať oveľa viac energie, než samotné sledovanie času. Nová štúdia publikovaná 14. novembra v Physical Review Letters ukazuje, že čítanie kvantových hodín môže vyžadovať až miliardykrát viac energie, než je potrebné na ich fungovanie.
Kvantové technológie, zariadenia fungujúce podľa princípov kvantovej mechaniky, sľubujú revolučné inovácie. Zároveň však tieto princípy prinášajú komplikácie, ktoré brzdia ich praktické využitie. Jedným z hlavných problémov je samotné meranie.
V experimente fyzici skonštruovali mikroskopické kvantové hodiny. Každý „tik“ vznikal pohybom dvoch elektrónov medzi dvoma oblasťami, pričom zmeny sledovali pomocou malých elektrických prúdov a rádiových vĺn. Tieto signály následne preložili do klasických dát pre časové meranie. Porovnali energiu potrebnú na generovanie týchto kvantových „tikov“ s energiou, ktorú vyžaduje samotné meranie.
Výsledky vedcov zarazili
Výsledok bol prekvapivý. Energia potrebná na čítanie údajov výrazne prevyšovala energiu hodín samotných. Podľa vedcov však práve toto dodatočné meranie umožnilo dosiahnuť oveľa vyššiu presnosť. Energia navyše teda nebola len stratou, pomohla presnejšie kontrolovať fungovanie hodiniek.
Problém presnosti časových údajov v kvantovom svete vzniká aj preto, že pojem času je na mikroskopickej úrovni veľmi slabý. Kvantové systémy môžu existovať v superpozícii viacerých stavov, ale pri pokuse o meranie systém „padne“ do jedného konkrétneho stavu. Tento jav ilustruje známy myšlienkový experiment so Schrödingerovou mačkou. Až do otvorenia krabice nevieš, či je mačka mŕtva alebo živá.
Neprehliadni
Bežné hodiny generujú pri svojom chode malé množstvo tepla, čo súvisí s entropiou, alebo mierou neusporiadanosti. V praxi je toto teplo zanedbateľné, a preto väčšina výskumníkov kvantových zariadení tento efekt ignoruje. Pre mikroskopické kvantové hodiny však platí, že samotné čítanie údajov výrazne zvyšuje energetickú záťaž.
Nové zistenia zároveň ukazujú, že nejde len o technický problém, ale aj o fundamentálny limit daný termodynamikou. Meranie je proces, ktorý transformuje kvantové tiky na klasické dáta. Každý takýto proces je spojený s produkciou entropie, tepla, ktoré sa nedá využiť, a teda s nevyhnutnými energetickými nákladmi, čo fyzici nazývajú Landauerov princíp. V kvantovom svete sa teda tento limit stáva dominantným faktorom, zatiaľ čo pri klasických hodinách sú tieto náklady v porovnaní s mechanickým trením zanedbateľné.
Kvantové hodiny v pokročilých počítačoch
Vedci tiež upozorňujú, že pochopenie týchto procesov môže byť dôležité pre synchronizáciu časových operácií v pokročilých počítačoch alebo senzoroch. Podľa niektorých odborníkov práve meranie môže určiť smer plynutia času v kvantových systémoch. Inými slovami, akt pozorovania môže vytvoriť pocit, že čas plynie dopredu.
Energetická efektívnosť zostáva kľúčovou otázkou pri návrhu kvantových zariadení. Kvantové hodiny na malých škálach mali pôvodne znižovať nároky na energiu. Výsledky experimentu však ukazujú, že z pohľadu energie sa náklady spojené s meraním stávajú dominantným faktorom, a zároveň otvárajú cestu k presnejším a informatívnejším hodinkám.
Takéto poznatky dávajú nový rozmer výskumu. Ukazujú, že pri kvantových technológiách nestačí myslieť len na hardvér. Problémy spojené s meraním a energetickými nárokmi sú hlboko zakorenené v princípoch kvantovej mechaniky a predstavujú fundamentálnu fyzikálnu prekážku, ktorú nemožno obísť bežnými technologickými vylepšeniami.
