这项颠覆认知的物理学突破可能重新定义计时技术

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。这导致可达到的精度存在基本限制。迄今为止，时钟精度翻倍所需能量至少倍增似乎是一条不变定律。但如今，由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组成的研究团队证明，利用特殊技巧可使精度实现指数级提升。关键在于使用两个不同的时间尺度——类似于时钟同时拥有秒针和分针。

时钟的精确定义是什么？

"我们原则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马库斯·胡贝尔教授表示，"所有时钟都需要两个组件：首先是时基发生器——例如摆钟的钟摆，甚至量子振荡；其次是计数器——记录时基发生器定义的时间单位已流逝数量的元件。"

时基发生器总能精确返回初始状态。完成一次完整振荡后，摆钟的钟摆会回到原始位置。经过特定次数的振荡后，原子钟中的铯原子会精确返回初始态。而计数器则必须持续变化——否则时钟将失去功能。

"这意味着所有时钟都必须关联不可逆过程，"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；否则它就不是真正的时钟。"摆钟的钟摆会在周围空气分子中产生微量热能和紊乱，读取原子钟状态的每束激光都会产生热能、辐射，从而增加熵。

"现在我们能推演具有极高精度的假设时钟必须产生多少熵——相应地，这种时钟需要消耗多少能量，"马库斯·胡贝尔解释道，"此前该关系似乎呈线性：精度提升千倍则需至少产生千倍熵值，消耗千倍能量。"

量子时间与经典时间

然而，维也纳工业大学研究团队与奥地利科学院、瑞典查尔姆斯理工大学及马耳他大学合作，现已证明通过采用双时间尺度可规避这一定律。

"例如可利用粒子在区域间迁移来计量时间，类似于沙粒从玻璃容器顶部下落至底部的过程，"弗洛里安·迈尔描述道。可将多个此类计时装置串联，统计已通过的粒子数量——如同一个指针计量另一个指针完成的圈数。

"这种方法能提升精度，但需额外能量投入，"马库斯·胡贝尔强调，"因为每当主指针完成整圈旋转导致副指针位移至新位置——亦可理解为环境每次感知到指针移动——熵值就会增加。这种计数过程不可逆。"

但量子物理允许另一种粒子传输模式：粒子可穿越整个结构（即横跨整个表盘）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量子叠加态，直至最终抵达目的地才被实际测量——该不可逆过程将导致熵增。

类比分针与时针机制

"因此我们获得不产生熵的快速过程（量子输运）和缓慢过程（粒子最终抵达），"维也纳工业大学尤里·米诺古奇阐述道，"本方法关键在于：一个指针遵循纯量子物理行为，仅另一个更缓慢的指针实际产生熵增效应。"

团队现已证明该策略可使精度随熵增实现指数级提升。这意味着可获得远超既有理论预测的精度。"更重要的是，该理论可通过超导电路在现实世界验证，这是当前最先进的量子技术之一，"研究合著者、查尔姆斯大学实验团队负责人西蒙娜·加斯帕林内蒂表示。"此成果对高精度量子测量及抑制非期望涨落研究至关重要，"马库斯·胡贝尔总结道，"同时有助于深入理解物理学重大未解之谜：量子物理与热力学之间的本质联系。"