Физики рассказали, могут ли существовать полностью квантовые часы

Основной частью выполнения любых вычислений является выполнение определенных задач в определенное время. Внешние классические системы управления отсчитывают время современных квантовых компьютеров, но система управления, которая могла бы работать полностью в квантовой сфере, открыла бы новые возможности.

Дав волю нашему воображению, мы могли бы представить себе крошечных квантовых дронов, которые могут возиться с молекулами или доставлять их. Такие автономные машины должны были бы нести свои собственные часы, и  эти часы также должны были бы быть квантовыми, чтобы машины не потеряли свой квантовый характер. Вопрос в том, можем ли мы построить такие квантовые часы, которые выполняли бы эту работу?

Атомные часы содержат атомы, которые могут поглощать только определенное количество энергии отдельными порциями — как тот, кто может съесть одну пачку чипсов, но не половину пачки. Лазер  светит на атомы, а внешний контроллер измеряет, сколько атомов, так сказать, съели хрустящих пакетов от лазера. Если много атомов, то свет лазера состоит из частиц с правильным количеством энергии — количеством, поддающимся вычислению с помощью квантовой теории.

В дополнение к тому, что свет состоит из частиц, он обладает волнообразными свойствами и поэтому, в некотором смысле, колеблется вверх и вниз. Время между колебаниями составляет исчисляемую долю секунды, которая определяется с точки зрения энергии, которую атомы могут поглотить. Итак, мы измеряем секунду, ожидая, пока лазерный луч совершит определенное количество колебаний. Контроллер, который измеряет энергию атомов, не квантовый, поэтому атомные часы — не единственные часы, которые нам понадобятся в эпоху квантового стимпанка.

Пионер квантовой физики  Вольфганг Паули  в 1920-х годах, среди прочего, размышлял о квантовых часах. Интересы Паули простирались от квантовой физики до психологии и философии, и теперь его имя связано с принципом запрета Паули, который определяет организацию электронов в атомах. Он сосредоточился на простых, но фундаментальных понятиях — а что такое время, как не фундаментальное?

Паули указал, что идеальные квантовые часы имеют «наблюдаемое» время. Observable — это физическое название измеримого свойства квантовой системы. Примеры наблюдаемых величин включают энергию, положение и импульс.

Но квантовое положение и импульс участвуют в соотношении неопределенностей. Если квантовая частица имеет четко определенное положение, у частицы нет четко определенного импульса; на квантовом языке частица находится в суперпозиции всех возможных импульсов. Если вы измеряете импульс, ваш детектор может считывать любое положительное число, любое отрицательное число или ноль. Точно определенное положение частицы аналогично четко определенному времени идеальных квантовых часов; часы не были бы  в суперпозиции много раз.

Но  время и энергия  участвуют в отношении неопределенности так же, как положение и импульс. Таким образом, квантовая система с четко определенным временем будет находиться в суперпозиции всех возможных энергий. Более того, суперпозиция будет  равномерно распределена  по всем возможным энергиям: если вы измерите энергию часов, ваша вероятность получения одного возможного результата будет равна вашей вероятности получения любого другого возможного результата.

Паули математически доказал, что никакая квантовая система не может иметь наблюдаемое время. Если бы система это делала, она могла бы иметь бесконечно отрицательное количество энергии. В нашем мире невозможно иметь бесконечно отрицательное количество энергии. Итак, согласно  квантовой механике, наш мир не вмещает наблюдаемые во времени или идеальные квантовые часы.

К счастью, нам не нужны идеальные квантовые часы — достаточно хорошие квантовые часы могут быть, ну, достаточно хорошими. Точно так же, как рисунок круглой формы на листе бумаги может приблизить круг, так и квантовые часы могут приблизить его к идеальному. И трое физиков — Джонатан Оппенгейм, Миша Вудс и Ральф Сильва — сумели разработать такие квантовые часы.

Как объяснили Оппенгейм и Вудс, их теоретические часы находятся в приближении к идеальному состоянию времени,  суперпозиция  равномерно распределена по всем энергиям. Их суперпозиция распределяется неравномерно по определенному шаблону: если вы измеряете энергию часов, вы с большей вероятностью получите одни результаты, чем другие. Таким образом, энергия часов по-прежнему неопределенна, но не максимально неопределенна. Таким образом, часы не нарушают законов физики а-ля Паули.

Более того, часы достаточно стабильны. Чтение квантовых часов не похоже на чтение классических. Использование его для определения времени вызовет контринтуитивное квантовое явление: нарушение измерения. Вы можете ежедневно наблюдать за часами, не влияя на то, какое время они показывают, точно так же, как полицейский может незаметно для вас регистрировать скорость вашего автомобиля (отсюда существование штрафов за превышение скорости). Но квантовые системы более тонкие, чем обычные системы. Если вы  измеряете квантовую систему  — или взаимодействуете с ней любым другим способом — вы возмущаете ее, изменяя ее состояние. Если вы измерите энергию системы, вы, вероятно, измените ее энергию.

Считывание времени с квантовых часов не мешало  бы хронометрированию, если бы часы были идеальными. Но несовершенные часы со временем изнашивались, уменьшая нашу способность различать мгновения. С тем же успехом вы могли бы смотреть на напольные часы через все более размытые очки: 6 часов сливаются в 5,59 и 6,01, затем в 5,58 и 6,02. Помехи также препятствуют способности часов инициировать процессы, такие как логические вентили в вычислениях, в желаемое время.

Насколько часы могли выдерживать такие помехи? Можно сказать, не так уж плохо. Представьте, что часы растут — добавляются к ним частицы, но не так много частиц, чтобы часы потеряли свою квантовую природу. Чем больше часы, тем выше их устойчивость. И отдавая немного, вы получаете много: по мере того, как часы растут, их устойчивость растет в геометрической прогрессии.

Пока такие свойства остаются теоретическими, и ученым трудно построить даже управляемые извне квантовые компьютеры, не говоря уже об автономных. Но экспериментальный контроль над квантовыми системами быстро развивался за последние три десятилетия и не показывает никаких признаков замедления. Позволят ли автономные часы квантовым компьютерам и другим машинам работать независимо? Время покажет, будут ли они измеряться квантовыми часами или повседневными.