这个小小量子钟藏着百亿倍的能量之谜

传统时钟从钟摆到原子振荡器，都依赖不可逆过程来计时。在量子层面，这些过程会变得极弱甚至几乎不发生，这使得可靠计时变得复杂得多。依赖精确计时的量子传感器和导航系统等设备，需要节能的内置时钟。此前，这些系统的热力学行为在很大程度上仍是未知的。

研究量子时间的真实能量成本
研究人员着手确定量子领域计时的真正热力学负担，并区分其中有多少成本是由测量行为导致的。
为探索这一点，他们制造了一个微型时钟，利用单电子在两个纳米级区域（称为双量子点）之间跳跃来工作。每一次跳跃都相当于时钟的“滴答”声。研究团队随后使用两种不同技术监测这些“滴答”：一种是测量极小的电流，另一种是利用无线电波检测系统中的细微变化。在这两种方法中，探测器都会将量子事件（电子跳跃）转化为可记录的经典信息，即量子到经典的转变。

十亿倍的测量能量惊喜
研究团队计算了时钟本身（即双量子点）和测量设备产生的熵（能量耗散的量）。他们发现，读取量子时钟（即将其微小信号转化为可测量信号）所需的能量，可能比时钟机制本身消耗的能量高出十亿倍。这一结果挑战了长期以来“量子物理中测量成本可忽略不计”的观点。它还揭示了一个惊人的事实：观测会引入不可逆性，而正是这种不可逆性赋予了时间前进的方向。

这一发现颠覆了“改进量子时钟需要更好的量子组件”这一通常预期。相反，研究人员认为，未来的进步取决于设计更高效收集信息的测量方法。

重新思考量子时钟设计的效率
第一作者、牛津大学工程科学系的纳塔莉亚·阿雷斯教授说：“在最小尺度运行的量子时钟本被期待能降低计时的能量成本，但我们的新实验揭示了一个惊人的转折。相反，在量子时钟中，量子测量的能耗远远超过了时钟机制本身。”

研究人员表示，这种不平衡实际上可能带来优势。测量过程中额外消耗的能量可以提供关于时钟行为更丰富的信息，不仅能计数“滴答”声，还能捕捉每一个微小的波动。这有可能制造出运行更高效的高精度时钟。

合著者、工程科学系博士生维韦克·瓦迪亚说：“我们的结果表明，时钟‘滴答’声的放大和测量所产生的熵——这在文献中常被忽略——是量子尺度计时中最重要、最基本的热力学成本。下一步是理解纳米级设备效率的原理，这样我们就能设计出像自然界那样更高效地计算和计时的自主设备。”

合著者、维也纳技术大学博士生弗洛里安·迈尔说：“除了量子时钟，这项研究还触及了物理学中的深层问题，包括时间为何单向流动。通过表明正是测量行为——而不仅仅是‘滴答’声本身——赋予了时间前进的方向，这些新发现将能量物理学与信息科学有力地联系起来。”

该研究还涉及维也纳技术大学和都柏林三一学院的研究人员。