Det finns olika idéer om hur kvantdatorer kan byggas. Men de har alla en sak gemensamt:du använder ett kvantfysikaliskt system – till exempel enskilda atomer – och ändrar deras tillstånd genom att utsätta dem för mycket specifika krafter under en viss tid. Detta betyder dock att för att kunna lita på att kvantberäkningsoperationen levererar rätt resultat behöver du en klocka som är så exakt som möjligt.
Men här stöter du på problem:perfekt tidsmätning är omöjlig. Varje klocka har två grundläggande egenskaper:en viss precision och en viss tidsupplösning. Tidsupplösningen indikerar hur små tidsintervallen är som kan mätas – det vill säga hur snabbt klockan tickar. Precision talar om för dig hur mycket inexakthet du har att förvänta dig med varje enskild bock.
Forskargruppen kunde visa att eftersom ingen klocka har en oändlig mängd energi tillgänglig (eller genererar en oändlig mängd entropi), kan den aldrig ha perfekt upplösning och perfekt precision samtidigt. Detta sätter grundläggande gränser för kvantdatorernas möjligheter.
I vår klassiska värld är perfekta aritmetiska operationer inget problem. Du kan till exempel använda en kulram där träkulor träs på en pinne och skjuts fram och tillbaka. Träpärlorna har tydliga tillstånd, var och en är på en mycket specifik plats, om du inte gör något kommer pärlan att stanna precis där den var.
Och om du flyttar pärlan snabbt eller långsamt påverkar inte resultatet. Men inom kvantfysiken är det mer komplicerat.
"Matematiskt sett motsvarar förändring av ett kvanttillstånd i en kvantdator en rotation i högre dimensioner", säger Jake Xuereb från Atomic Institute vid Wiens tekniska universitet i teamet av Marcus Huber och första författare till den första artikeln publicerad i Fysiska granskningsbrev . "För att uppnå önskat tillstånd i slutändan måste rotationen tillämpas under en mycket specifik tidsperiod. Annars vrider du tillståndet antingen för kort eller för långt."
Marcus Huber och hans team undersökte generellt vilka lagar som alltid måste gälla för alla tänkbara klocka. "Tidsmätning har alltid med entropi att göra", förklarar Marcus Huber. I varje slutet fysiskt system ökar entropin och den blir mer och mer oordnad. Det är just denna utveckling som bestämmer tidens riktning:framtiden är där entropin är högre, och det förflutna är där entropin är ännu lägre.
Som kan visas är varje tidsmätning oundvikligen förknippad med en ökning av entropin:en klocka behöver till exempel ett batteri, vars energi i slutändan omvandlas till friktionsvärme och hörbar tickning via klockans mekanik – en process där ett ganska ordnat tillstånd inträffar batteriet omvandlas till ett ganska oordnat tillstånd av värmestrålning och ljud.
Utifrån detta kunde forskargruppen skapa en matematisk modell som i princip varje tänkbar klocka måste lyda. "För en given ökning av entropi finns det en avvägning mellan tidsupplösning och precision", säger Florian Meier, första författare till den andra artikeln, nu publicerad på arXiv förtrycksserver. "Det betyder:Antingen fungerar klockan snabbt eller så fungerar den exakt – båda är inte möjliga samtidigt."
Denna insikt för nu med sig en naturlig gräns för kvantdatorer:upplösningen och precisionen som kan uppnås med klockor begränsar hastigheten och tillförlitligheten som kan uppnås med kvantdatorer. "Det är inga problem för tillfället", säger Huber.
"För närvarande är kvantdatorernas noggrannhet fortfarande begränsad av andra faktorer, till exempel precisionen hos de komponenter som används eller elektromagnetiska fält. Men våra beräkningar visar också att vi idag inte är långt från den regim där de grundläggande gränserna för tidsmätning spela den avgörande rollen."
Därför, om tekniken för kvantinformationsbehandling förbättras ytterligare, kommer man oundvikligen att behöva brottas med problemet med icke-optimal tidsmätning. Men vem vet:Kanske är det just så här vi kan lära oss något intressant om kvantvärlden.
Mer information: Florian Meier et al, Fundamental precision-resolution trade-off for timekeeping devices, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2301.05173
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
