Суббота 26 апреля 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
Древняя ДНК ставит под сомнение библейские предположения о финикийцах Древняя ДНК ставит под сомнение библейские предположения о финикийцах Финикийцы славятся не только своей морской доблестью и изобретением алфавита, который дал начало буквам на этой странице. Ученые долгое время предполагали, что они произошли от хананеев, упомянутых в Библии. Но…
JSS: неолитическая революция могла быть вызвана массовыми пожарами  JSS: неолитическая революция могла быть вызвана массовыми пожарами  Новое исследование Еврейского университета в Иерусалиме предлагает основанное на фактических данных объяснение одного из самых значимых поворотных моментов в истории человечества: неолитической революции, связанной с мировым триумфом сельского хозяйства. Согласно…
Ученые нашли способ «татуировать» тихоходок Ученые нашли способ «татуировать» тихоходок Эти неуклюжие восьминогие существа, прозванные водяными медведями, имеют длину около половины миллиметра и могут выжить практически в любых условиях: при низких температурах, при почти полном голодании, при высоком давлении, при…
Интернет и СМИ
Главное за сутки
МО: за ночь над регионами России уничтожили 79 украинских беспилотников  МО: за ночь над регионами России уничтожили 79 украинских беспилотников  Средства ПВО за ночь уничтожили и перехватили 79 украинских беспилотников самолетного типа над регионами России. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "За период с 20:10 мск 24 апреля по 06:00…
Четырем участникам вторжения ВСУ в Курскую область дали сроки от 15,5 года до 16 лет Четырем участникам вторжения ВСУ в Курскую область дали сроки от 15,5 года до 16 лет Второй Западный окружной военный суд приговорил к лишению свободы на сроки от 15,5 года до 16 лет четверых участников вторжения Вооруженных сил Украины (ВСУ) в Курскую область - трех солдат…
ФСБ: в Сочи задержали гражданина Румынии за сбор данных о дислокации ПВО ФСБ: в Сочи задержали гражданина Румынии за сбор данных о дислокации ПВО Сотрудники ФСБ задержали в Сочи гражданина Румынии 2002 года рождения за сбор данных о местах дислокации объектов противовоздушной обороны (ПВО) для спецслужб Украины. Об этом сообщили в Центре общественных связей…
Тема дня
Зеленский публично сделал выбор между разумом и самим собой Зеленский публично сделал выбор между разумом и самим собой

Для Зеленского с его комплексами крайне важно представляться глобальным лидером, задающим повестку. ...

Фото
Почти четверть всех лунных выбросов в конечном итоге попадает на Землю Почти четверть всех лунных выбросов в конечном итоге попадает на Землю

Поверхность Луны покрыта ударными кратерами, от микроскопических ямок до огромных бассейнов диаметро...

Опрос

Вы ожидаете в 2025 году прекращения огня в зоне СВО?

 

Анекдот дня

Сначала ты коверкаешь слова ради смеха, а потом не знаешь, как они пишутся.

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 на одноклассниках
 

 

МЫ ВКОНТАКТЕ

Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-83392 от 07.06.2022, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи,

информационных технологий и массовых коммуникаций. 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)".