Физики предложили модель автономных квантовых часов, в которых точность возрастает экспоненциально быстрее, чем растут энергетические потери. Это ставит под сомнение фундаментальное ограничение, согласно которому счёт времени в физике невозможен без затрат: каждый тик любого устройства сопровождается ростом энтропии. Речь идёт не просто об энергетической эффективности — а о глубоком пересмотре связи между временем, измерением и вторым законом термодинамики .
Чтобы понять значимость открытия, стоит вспомнить: все фундаментальные уравнения физики симметричны во времени. Однако реальный мир устроен иначе — мы чувствуем течение времени, различаем прошлое и будущее. Причина этой асимметрии, как считается, кроется во втором законе термодинамики: энтропия (мера беспорядка) в замкнутой системе со временем не убывает. Любой необратимый процесс, в том числе измерение времени, влечёт за собой рост энтропии. Даже идеальные часы — от маятников до атомных — платят за каждый тик увеличением беспорядка в окружающей среде.
Тем более это актуально в квантовой физике, где речь идёт о системах, состоящих из считанных частиц. На таких масштабах даже микроскопическое тепловое возмущение способно разрушить работу устройства. Поэтому исследование фундаментальных ограничений точности квантовых часов стало одним из центральных направлений современной теоретической физики.
Авторы работы предложили теоретическую схему квантовых часов, построенных на базе спиновой цепочки — системы из нескольких взаимодействующих квантовых узлов. В каждый момент времени только один из них находится в возбуждённом состоянии. Это возбуждение передаётся от узла к узлу по замкнутому кольцу. Каждый полный цикл его движения — это один тик.
Ключевым элементом модели стала асимметрия в передаче. На последнем участке цепи создаётся тепловой градиент, то есть разница температур, которая задаёт предпочтительное направление движения. Благодаря этому возбуждение «проталкивается» вперёд, и система способна тикать без внешнего управления. При этом рассеяние — то есть необратимая потеря энергии — происходит только на одном стыке кольца. Остальная часть системы функционирует когерентно: волновой сигнал проходит по ней без искажений и потерь.
Модель работает как волновод: возбуждение, зарождаясь в одной части кольца, преобразуется в узкий волновой пакет, который перемещается по цепи и поглощается на другом конце. Для этого структура кольца разделена на три области. В первой — возбуждение формируется и сжимается. Во второй — стабильно передаётся на фиксированной скорости. В третьей — поглощается без отражения. Такая архитектура позволяет избежать возвратов и добиться высокой регулярности.
Часы анализируются с точки зрения статистики времени между тиками. Идеальный механизм должен тикать с постоянным интервалом. В реальности возможны отклонения: сигнал может задерживаться или приходить раньше. Эти флуктуации измеряются с помощью фактора Фано — отношения среднего времени к его дисперсии. Чем меньше разброс и выше стабильность, тем выше точность.
В большинстве моделей точность ограничена пропорционально количеству произведённой энтропии. Однако в предложенной схеме это соотношение нарушается. При фиксированных потерях можно наращивать точность за счёт удлинения кольца. Исследование показывает, что точность масштабируется экспоненциально, а затраты растут лишь логарифмически. Это означает: добавляя новые узлы, можно повышать точность практически без увеличения энергетических затрат.
Для доказательства авторы построили математическую модель, описывающую эволюцию системы через уравнение Линдблада — стандартный инструмент в теории открытых квантовых систем. Он позволяет учитывать как когерентную динамику, так и тепловые переходы между состояниями. Ключевой переход — скачок возбуждения с последнего узла на первый — моделируется как квантовый скачок, запускаемый тепловым градиентом. Остальные переходы происходят без потерь.
Кроме точности, исследователи оценили и устойчивость модели. В реальных условиях невозможно идеально задать параметры: взаимодействия между узлами могут отличаться от расчётных, в систему может проникнуть шум. Учёные смоделировали эти нарушения и выяснили: до определённого предела кольцо сохраняет стабильность. Даже при умеренных искажениях экспоненциальный рост точности сохраняется, пока длина цепи не превысит критическое значение.
Также обсуждаются возможные способы реализации. Архитектура может быть воплощена в виде цепочек связанных микроволновых резонаторов — так называемых CCA. Такие структуры уже используются в квантовых компьютерах , они хорошо контролируются и допускают точную настройку взаимодействий. Для регистрации тиков можно использовать квантовые детекторы скачков или ловушки фотонов — оба метода уже применяются в экспериментах.
Кроме прикладных применений — например, в квантовой синхронизации или генерации одиночных фотонов — работа затрагивает фундаментальные вопросы. Если система способна отсчитывать время с высокой точностью без увеличения энтропии, то, возможно, направление времени не всегда обязано быть связано с термодинамической стрелой . Это не отменяет второго закона, но показывает, что его влияние можно минимизировать в правильно устроенных квантовых системах.
Итак, теперь наука знает, что физические границы измерения времени в квантовом мире гибче, чем считалось. А значит, на горизонте — новые подходы к построению часов, квантовых процессоров и систем связи, способных работать стабильно и практически без энергетических потерь.