Суббота 05 сентября 2026 года

 

Вы здесь:  Главная» Все новости» Наука» Физики рассказали, могут ли существовать полностью квантовые часы


Физики рассказали, могут ли существовать полностью квантовые часы

Понедельник, 08 Августа 2022 14:43

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.

 
 

 
 
Задунайская Елена Опубликовано в Наука
Читайте также
Инструменты помогли по-новому взглянуть на жизнь неандертальцев 40 000 лет назад Инструменты помогли по-новому взглянуть на жизнь неандертальцев 40 000 лет назад Находки новых каменных орудий в пещере в Сарагосе, Испания, помогают археологам реконструировать повседневную жизнь последних неандертальцев, живших в Арагоне около сорока тысяч лет назад. Во время раскопок «Агилон P5» в…
На южном полюсе Сатурна образовался большой, странный десятиугольник На южном полюсе Сатурна образовался большой, странный десятиугольник Вблизи южного полюса Сатурна наблюдается новый, необычный погодный паттерн, напоминающий десятиугольник. Возможно, он сформировался из-за сильного шторма поблизости, но исследователи пока не уверены. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале…
Ученые выяснили, кто создал странные шестиугольные окаменелости Ученые выяснили, кто создал странные шестиугольные окаменелости Загадка необычного шестиугольного ископаемого, которое появлялось на Земле в течение последних 500 миллионов лет, приблизилась к разгадке на один шаг. Новое исследование описало, как выглядит создатель этого ископаемого следа, Paleodictyon,…
Интернет и СМИ
Главное за сутки
МО: за ночь над регионами России сбили 53 украинских БПЛА МО: за ночь над регионами России сбили 53 украинских БПЛА Российские силы ПВО перехватили и уничтожили над регионами РФ за ночь 53 украинских БПЛА. Об этом сообщили в Минобороны России. "В течение прошедшей ночи дежурными силами ПВО перехвачены и уничтожены…
Шуваев: ВСУ за сутки атаковали Белгородскую область 146 раз, погиб 1 человек Шуваев: ВСУ за сутки атаковали Белгородскую область 146 раз, погиб 1 человек ВСУ за прошедшие сутки 146 раз атаковали территорию Белгородской области. Об этом сообщил врио губернатора региона Александр Шуваев в "Максе". "За минувшие сутки ВСУ 146 раз атаковали территорию Белгородской области.…
ФСБ России опубликовала документы о вербовке немцами подростков в годы войны ФСБ России опубликовала документы о вербовке немцами подростков в годы войны Федеральная служба безопасности обнародовала документы о том, как немецкая военная разведка в годы Великой Отечественной войны вербовала и готовила русских подростков на оккупированных территориях для шпионской и диверсионной деятельности в…
Тема дня
Япония захотела вырвать хризантему из советской Победы Япония захотела вырвать хризантему из советской Победы

Япония потребовала убрать изображение хризантемы с мемориального комплекса «Победа на Востоке» в Хаб...

Фото
Ученые обнаружили шесть загадочных структур глубоко под землей Ученые обнаружили шесть загадочных структур глубоко под землей

Внутренние движения нашей планеты трудно изучать. Но то, что происходит на глубине тысяч километров ...

Опрос

Доживет ли Украина до своего 40-летнего юбилея?

 

Анекдот дня

- Алло, это Ветслужба? Я бы хотел зарегистрировать кроликов в своём подсобном хозяйстве...

- Хорошо. Сколько их у вас?

- Пятнадцать...

- Сколько?

- Семнадцать...

- Пятнадцать, или семнадцать?

- Двадцать один...

Еще »

Этот сайт использует файлы «cookie» с целью повышения удобства его использования. Во время посещения сайта вы соглашаетесь с тем, что мы обрабатываем ваши персональные данные с использованием сервиса «Яндекс. Метрика». Продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.

Популярные новости
Интересные материалы
МЫ ВКОНТАКТЕ

Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций

(Роскомнадзор). Реестровая запись от 07.06.2022 серия ЭЛ № ФС 77 – 83392. При использовании, полном или частичном

цитировании материалов planet-today.ru активная гиперссылка обязательна. Мнения и взгляды авторов не всегда совпадают с

точкой зрения редакции. На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии

предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей

сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)".