突破性量子時鐘架構：精準計時同時實現超低能耗

數十年來，物理學家持續研發更精密複雜的時鐘系統，以精確測量極短時間內發生的物理過程，進而驗證各種理論預測。其中，量子時鐘利用量子力學原理，可達到前所未有的時間測量精度。

在2023年維也納量子熱力學會議(QTD)後，來自維也納科技大學(TU Wien)、奧地利科學院、查爾姆斯理工大學及馬爾他大學的研究團隊展開合作，致力開發一種新型微型量子時鐘，不僅能精確計時，更能大幅降低能量耗散。這項創新架構已發表於《自然物理》期刊。

論文資深作者Marcus Huber向Tech Xplore解釋：「關鍵在於能以全新量子方式，權衡時鐘精度與解析度。就像沙漏，我們可以等待足夠沙粒落下形成時間單位，雖然需要更長等待時間，但能獲得更精確的測量結果。」

研究團隊發現，每次不可逆事件發生時，計時技術都會耗散能量。因此提高時鐘精度的同時，必然會增加熵值（即系統的混亂程度）。傳統時鐘與多數量子時鐘的精度與熱力學關係呈線性，意味著若要將精度提高一倍，能量耗散也需倍增。

Huber指出：「我們的量子多體時鐘最大特點，是能讓基礎事件以相干方式傳輸，過程中不會產生不可逆事件。就像時鐘秒針在未被觀測干擾下運轉，仍能提升分針精度。這種量子多體相干傳輸機制，實現了幾乎不增加熵值的精度提升。」

論文第一作者Florian Meier補充說明：「量子時鐘指針每轉動一圈的能量耗散，遠低於傳統時鐘。傳統時鐘指針在運轉過程中會持續產生熵。」

這項研究挑戰了長久以來的假設——提高計時精度必然伴隨能量耗散增加。團隊成員Simone Gasparinetti表示，他們正利用約瑟夫森結超導電路建造原型機，雖然與量子電腦的電路相似，但需要採用不同方法實現量子時鐘。

研究人員預期，雖然能量耗散終將限制量子時鐘精度的提升極限，但這項研究揭示了可最小化耗散的基本物理原理。團隊未來將繼續探索實驗實現方案，並將這種高精度自主過程應用於量子裝置的時序控制，避免能量耗散問題。

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