Измерение времени ограничили в точности и разрешении

Австрийские физики показали, что существует универсальное ограничение на точность и разрешение при измерении времени для любых часов, у которых элементарные события термолизации не имеют памяти. Это устанавливает предел точности квантовых вычислений. Статьи опубликованы в Physical Review Letters (1, 2).

Совершенствование устройств для измерения времени достигло своей кульминации в 1950х годах, когда были изобретены атомные часы. С тех пор ученые разными методами увеличивают точность таких часов. Но непонятно, существует ли предел точности и разрешения измерения времени.

Ответ на этот вопрос предложили физики под руководством Маркуса Хюбера (Marcus Huber) из Центра квантовой науки и технологий в Вене. Ученые исследовали фундаментальные ограничения часов, основанные на законах термодинамики, потому что часы — как и все другие физические системы — подчиняются этим законам. Более того, часы во многом существуют за счет увеличения энтропии согласно второму началу термодинамики. Это означает, что часы являются свидетелями макроскопического нарушения симметрии обращения времени, поскольку они идут только вперед во времени. Таким образом, ими должны управлять необратимые процессы, которые истощают неравновесные ресурсы для вывода временной информации. Однако это стохастические процессы, которые невозможно полностью предсказать. Физики пришли к выводу, что ни одни часы не могут быть идеальными просто потому, что они в своей основе управляются случайными процессами.

В своей работе физики определили разрешение, как обратное среднее время между двумя последовательными тактами часов, а точность, как среднее количество тактов, которое проходит, прежде чем часы начинают ошибаться на один такт. Ученые сформулировали и доказали теорему, которая связывает и накладывает фундаментальное ограничение между разрешением и точностью любых часов. Согласно этой теореме точность любых часов не превосходит квадратичного отношения частоты стохастических процессов, на которых основаны эти часы, к их разрешению.

Разрешение и точность часов в свою очередь ограничивают скорость и надежность квантовых вычислений. Впрочем, на сегодняшний день точность квантовых компьютеров все еще определяется техническими факторами, а не теоретическим пределом. Однако, как считают ученые, этот предел может быть достигнут в недалеком будущем.

Конечно, человечество пока еще не достигло фундаментального ограничения в точности и разрешении измерения времени. Однако ученые продолжают разрабатывать методы и технологии, которые помогут приблизиться к этому пределу. Например, мы писали о том, как запутывание атомных часов увеличило их точность.