量子時鐘的熵來自哪里？

時間與熵

時鐘，無論是鐘擺還是原子振蕩器，都是依靠不可逆的過程來標記時間的流逝。根據(jù)熱力學第二定律，任何時鐘在計時過程中都會自動產生熵，從而釋放熱量。

這種效應通常非常微弱，但對于未來那些依賴于精確計時的量子設備（如量子傳感器和量子導航系統(tǒng)）而言，計時與產熱之間的關系則十分關鍵。

在一項于近期發(fā)表在《物理評論快報》上的一項研究中，一個研究團隊用一個由兩個單電子阱構成的量子時鐘，測量了記錄時鐘“滴答”時所產生的熵。他們發(fā)現(xiàn)：讀取量子時鐘這一過程所產生的熵和熱量，遠遠高于時鐘本身進行量子操作所產生的熵和熱量。這樣的結果表明，原本常被忽視的、由放大和測量時鐘滴答時所產生的熵，才是量子尺度上計時最重要、最根本的熱力學成本。

量子時鐘——雙量子點

在這項新研究中，研究人員想要探索，在量子尺度上，維持計時的真實熱力學成本是什么？而其中有多少成本來自“測量”這一行為本身？

為此，他們搭建了一個微型時鐘——由單電子在兩個納米級區(qū)域（稱為雙量子點）之間的跳躍構成。這個基于“雙量子點”的時鐘每經歷一次完整的三態(tài)循環(huán)并回到起點，就算作一次“滴答”，具體來說：

• 狀態(tài)0：兩個量子點都未被電子占據(jù)；

• 狀態(tài)L：一個電子位于左側量子點；

• 狀態(tài)R：電子跳躍至右側量子點。

量子時鐘中的兩個量子點（藍色）都是半導體區(qū)域，可容納一個自由電子，并會受到其附近施加電壓的影響。（圖/Y. Schell and G. Katsaros/Institute for Science and Technology Austria）

為了檢測時鐘的狀態(tài)，研究人員采用了兩種方法：一種是測量流向附近一個“電荷傳感器”量子點的微弱電流，三種狀態(tài)對應不同的電流值；另一種利用射頻信號感知系統(tǒng)變化。在這兩種方法中，傳感器都會把量子信號（電子跳躍）轉換成可記錄的經典數(shù)據(jù)——即一次從量子到經典的轉化過程。

令人驚訝的熵源——測量！

研究人員分別計算了雙量子點和測量裝置各自產生的熵（耗散的能量）。結果顯示：讀取量子時鐘（把微弱信號轉成可記錄數(shù)據(jù)）所需的能量，竟然比時鐘本身運行所需的能量高出多達十億倍。

運行一個量子時鐘（左：單電子在兩個納米區(qū)域間跳躍）與讀取時鐘滴答（右）之間的能量差異。讀取時鐘所需能量大約是運行時鐘所需能量的十億倍。（圖/Natalia Ares、Vivek Wadhia、Federico Fedele。）

這顛覆了量子物理學中“測量成本可以忽略不計”的普遍假設。它揭示了一個令人意外的洞見：正是測量這一行為，讓過程變得不可逆，從而賦予了時間前進的方向。

這推翻了一個普遍的觀點——認為更高效的時鐘需要依賴更優(yōu)的量子系統(tǒng)。而事實則正好相反——未來研究更需要聚焦于如何以更智能、更節(jié)能的方式來測量時間的流逝。

不過，研究人員指出，額外的測量能量能帶來更多關于時鐘行為的信息：不僅是滴答次數(shù)，還包括每個細微變化的詳細記錄。這為更高效地獲得高精度時鐘開辟了新的可能性。

研究人員的下一步計劃是理解支配著納米尺度設備的效率的基本原則，從而設計出像自然界那樣，能以更高效率進行計算與計時的自主設備。

#參考來源：

https://eng.ox.ac.uk/news/reading-a-quantum-clock-costs-more-energy-than-running-it

https://physics.aps.org/articles/v18/182

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/5rtj-djfk

#圖片來源：

封面圖&首圖：Lucas Santos / Unsplash