Квантовые частицы ведут себя странно — и это можно использовать для сверхточных измерений. Именно этим занимается квантовая метрология. Например, атомные часы работают на квантовых свойствах атомов и измеряют время куда точнее обычных механических.

Но в квантовой физике всегда есть место случайности. Даже самые точные измерения содержат шум, и это накладывает фундаментальные ограничения на возможную точность. Долгое время считалось, что если увеличить точность часов вдвое, то и энергии потребуется как минимум в два раза больше. Однако группа ученых из Венского технического университета, Технологического университета Чалмерса (Швеция) и Университета Мальты доказала: с помощью хитрости можно добиться экспоненциального роста точности. Все дело в использовании двух разных временных шкал — как в часах со стрелками, где одна отсчитывает секунды, а другая минуты.

Что вообще такое часы

Мы разбирались, какие часы в принципе возможны, — говорит профессор Маркус Хубер из Института атомной физики Венского технического университета. — Любые часы состоят из двух частей: генератора времени (например, маятника в механических часах или квантовых колебаний) и счетчика, который фиксирует, сколько единиц времени прошло.

Генератор времени должен возвращаться в исходное состояние — как маятник после каждого колебания или атом цезия в атомных часах.

А вот счетчик обязан меняться, иначе часы бесполезны.

Это значит, что любой ход времени связан с необратимым процессом, — объясняет Флориан Майер из Венского технического университета. — Говоря языком термодинамики, часы увеличивают энтропию во Вселенной. Если этого не происходит — это не часы.

Энтропия — мера хаоса в системе. Чем больше энтропия, тем больше энергии рассеивается впустую. В часах она возникает из-за необратимых процессов: трения, нагрева, любых изменений, которые нельзя отменить.

Маятник рассеивает энергию в воздух, лазер в атомных часах нагревает окружение. Чем точнее часы, тем больше энергии им нужно. Казалось, что закон здесь железный: для тысячекратного увеличения точности потребуется в тысячу раз больше энергии.

Квантовое и классическое время

Но ученые обнаружили лазейку. Если использовать две временные шкалы, можно обойти это ограничение.

Представьте частицы, которые перемещаются из одной точки в другую, как песок в песочных часах, — говорит Флориан Майер. — Можно выстроить цепочку таких «часов» и считать, сколько частиц уже прошло. Это как если бы одна стрелка отслеживала обороты другой.

Точность растет, но и энергии нужно больше — каждый раз, когда стрелка делает полный оборот, энтропия увеличивается. Однако в квантовом мире возможен и другой сценарий: частица может пройти весь путь, не оставляя следов, и лишь в конце зафиксироваться.

—Получается, у нас есть быстрый квантовый процесс без роста энтропии и медленный, где энтропия все-таки возникает, — поясняет Юри Миногичи.

Именно это позволяет резко повысить точность без пропорционального роста затрат энергии. Теорию можно проверить на сверхпроводящих цепях — одной из самых продвинутых квантовых технологий.

Это прорыв в создании сверхточных измерений и борьбе с квантовыми флуктуациями, — говорит Маркус Хубер. — Заодно мы лучше понимаем, как связаны квантовая физика и термодинамика.

Этот метод может привести к созданию:

• Сверхточных атомных часов для навигации, телекоммуникаций и синхронизации финансовых транзакций.
• Квантовых сенсоров для медицинской диагностики (например, раннего обнаружения болезней по слабым магнитным полям).
• Новых стандартов измерения, которые переопределят эталоны времени, расстояния и других физических величин.

Эксперимент пока остается теоретическим. Сверхпроводящие цепи — сложная система, и неизвестно, удастся ли достичь предсказанной точности на практике. Кроме того, метод требует идеальной когерентности квантовых состояний, что трудно поддерживать в реальных условиях из-за декогеренции.

Ранее эксперты пообещали технологическую революцию к 2045 году благодаря квантовым датчикам.