Вторник 08 июля 2025 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   Теги Новости
Читайте также
Математики создали тетраэдр, который всегда приземляется на одну и ту же сторону Математики создали тетраэдр, который всегда приземляется на одну и ту же сторону Четырехсторонняя фигура, которая всегда будет покоиться на одной и той же стороне, независимо от того, на какую сторону она приземляется, была построена математиками спустя десятилетия после того, как впервые было…
Как жара меняет поведение человека, пояснили эксперты Как жара меняет поведение человека, пояснили эксперты Биологи давно подметили, что жара негативно отражается на поведении живых существ. Ряд американских исследований подтверждают, что агрессия у крыс в отношении представителей своего вида активируется при высоких температурах, рассказывает ресурс…
Таинственная надпись на надгробии раскрывает место захоронения графа Дракулы Таинственная надпись на надгробии раскрывает место захоронения графа Дракулы Таинственная надпись, обнаруженная в многовековой гробнице в Неаполе, может наконец-то раскрыть давно потерянное место захоронения графа Дракулы. Исследователи утверждают, что место захоронения, расположенное в часовне Турболо церковного комплекса Санта-Мария-ла-Нова, может…
Интернет и СМИ
Главное за сутки
МО: за ночь над территорией России уничтожили три БПЛА МО: за ночь над территорией России уничтожили три БПЛА Российские средства ПВО уничтожили три украинских БПЛА над Белгородской областью за ночь. Об этом сообщили в Минобороны России. "В период с 22:30 мск 7 июля текущего года до 7:00 мск…
Трамп заявил, что США будут и дальше поставлять Украине оружие Трамп заявил, что США будут и дальше поставлять Украине оружие США намерены поставлять Украине оружие. Об этом заявил в понедельник президент США Дональд Трамп, отвечая на вопросы журналистов в начале встречи с премьер-министром Израиля Биньямином Нетаньяху в Белом доме. "Мы…
Нетаньяху номинировал Трампа на Нобелевскую премию мира Нетаньяху номинировал Трампа на Нобелевскую премию мира Премьер-министр Израиля Биньямин Нетаньяху сообщил о номинировании президента США Дональда Трампа на Нобелевскую премию мира. "Хочу передать вам письмо, которое я направил в Нобелевский комитет. Оно номинирует вас на премию…
Тема дня
Почему наша общая история не помогает дружить с соседями Почему наша общая история не помогает дружить с соседями

Нам никто не обязан, и мы никому не обязаны. Нам предстоит заново и на чисто прагматической основе д...

Фото
Фальшивые монеты поддерживали экономику Римской империи в период ее упадка Фальшивые монеты поддерживали экономику Римской империи в период ее упадка

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Vegueta, показывает, как поддельные монеты были ключ...

Опрос

Какое время продлится напряженность в отношениях между Россией и Азербайджаном?

 

Анекдот дня

Когда телефон был привязан к стене, люди были свободны...

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.

КАК ЗАРАБОТАТЬ НА ИИ ЕСЛИ ТЫ НЕ ПРОГРАММИСТ?
ПРОФЕССИИ, КОТОРЫЕ ВЫМРУТ ЧЕРЕЗ 5 ЛЕТ И ЧТО С ЭТИМ ДЕЛАТЬ?
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)".