这一突破性物理学发现或将重新定义计时方式

然而，量子物理学的基本定律始终伴随着一定程度的不确定性。必须接受某些随机性或一定量的统计噪声。这导致可实现精度的根本性限制。迄今为止，精度提高一倍的时钟至少需要两倍的能量似乎是一条不可改变的法则。但现在，来自奥地利维也纳工业大学、瑞典查尔姆斯理工大学和马耳他大学的研究团队证明，通过特殊技巧可以使精度呈指数级提升。其关键在于使用两个不同的时间尺度——类似于时钟同时具有秒针和分针。

时钟究竟是什么？

"我们从原理上分析了理论上可能存在的时钟类型，"维也纳工业大学原子研究所的马库斯·胡贝尔教授解释道。"每个时钟都需要两个组件：首先是时基发生器——例如摆钟的钟摆，甚至是量子振荡。其次是计数器——用于计量时基发生器所定义的时间单位已累积数量的任何元件。"

时基发生器总能回归完全相同的状态。完成一次完整振荡后，摆钟的钟摆会回到原先位置。经过特定次数的振荡后，原子钟中的铯原子也会恢复到之前的精确状态。然而，计数器必须持续变化——否则时钟将失去效用。

"这意味着每个时钟都必须与不可逆过程相关联，"维也纳工业大学的弗洛里安·迈尔指出。"用热力学语言表述，即每个时钟都会增加宇宙的熵；若非如此，它就不能称之为时钟。"摆钟的钟摆会对其周围的空气分子产生微小的热量和无序性，而读取原子钟状态的每一束激光都会产生热量、辐射，从而增加熵。

"我们现在可以推演一个具有极高精度的假设时钟需要产生多少熵——相应地，这种时钟需要消耗多少能量，"马库斯·胡贝尔阐述道。"此前的研究似乎表明存在线性关系：若要获得千倍的精度，则必须产生至少千倍的熵，并耗费千倍的能量。"

量子时间与经典时间

然而，维也纳工业大学研究团队与维也纳奥地利科学院（ÖAW），以及瑞典查尔姆斯理工大学和马耳他大学的团队现已证明，通过采用双时间尺度可规避这一表面规则。

"例如，可利用粒子在区域间的迁移来计量时间，类似于沙粒从玻璃瓶顶部落至底部以指示时间，"弗洛里安·迈尔说明。可将一系列此类时间计量装置串联，并统计其中已完成迁移的数量——犹如一个时钟指针计量另一指针已完成的圈数。

"这种方式可提升精度，但无法避免额外能量投入，"马库斯·胡贝尔指出。"因为每当一个指针完成整圈旋转而另一指针被测量到新位置时——亦可表述为每当周围环境感知到指针位移至新位置时——熵就会增加。这个计数过程具有不可逆性。"

但量子物理学还允许另一种粒子传输模式：粒子亦可穿越整个结构（即跨越整个钟面）而无需在任何位置被测量。某种意义上，粒子在此过程中处于叠加态（无处不在），直到最终抵达时才具有明确定位——仅在此刻才通过不可逆过程进行实际测量并产生熵增。

如同秒针与分针

"因此我们拥有不产生熵的快速过程——量子传输，以及缓慢的过程——即粒子最终抵达的时刻，"维也纳工业大学的尤里·米诺古奇解释道。"我们方法的关键在于：一个指针的行为完全遵循量子物理规律，只有另一个较慢的指针才会实际产生熵增效应。"

研究团队现已证明，该策略能使精度随熵增呈指数级提升。这意味着可实现远超既往理论预想的精度。"更重要的是，该理论可通过超导电路在现实世界中进行验证，这是当前最先进的量子技术之一，"论文合著者、查尔姆斯大学实验团队负责人西蒙娜·加斯帕里内蒂强调。"这对高精度量子测量及抑制非期望涨落的研究具有重要意义，"马库斯·胡贝尔补充道，"同时有助于我们更深入理解物理学重大未解之谜：量子力学与热力学之间的关联。"