大幅降低熵的產生！物理學家開發既精準又幾乎無能耗的新型量子時鐘

多年來，物理學家已經透過量子力學將量子時鐘（ quantum clock）的精確度推向難以置信的境界。然而量子時鐘一直存在一個先天上極大的限制，那就是時鐘越精確，所消耗的能量就越多，產生的混亂或熵也越大。

隨著 2023 年在維也納舉辦量子熱力學會議（ Quantum Thermodynamics Conference）後，研究人員便開始重新思考量子級計時背後的基本假設。如今某國際研究團隊甚至建立了一種新型量子時鐘的理論架構，這種時鐘不僅能以驚人的精確度計時，還能大幅降低能源浪費。此舉不僅有可能徹底改變我們建構時鐘的方式，並有助於推動更高效率的量子電腦與相關技術的發展。

透過「相干量子傳輸」方式，基於量子多體系統

傳統時鐘，包括現有的量子時鐘，皆仰賴計數一連串不可逆的重複事件，例如鐘擺的擺動或原子能階躍遷。每當「滴答」發生時，都會有少量能量以熱量的形式散失（這就是 entropy 熵）。在傳統或量子時鐘中，若要將精度提高一倍，也必須增加一倍的熵。這種一比一的交換關係，一直被視為計時上的基本限制。

為了改善這一點，研究人員提出了不同的策略。他們不再將每一次滴答視為必須觀測與記錄的獨立事件（如此也會消耗能量），而是探討人們若能讓量子事件像波一般地連貫、順暢地展開而不受干擾的話會如何。

在研究人員的模型中，時鐘並不測量每一個獨立的滴答，而是透過讓量子激發（quantum excitation）在系統中不受干擾地傳輸，來追蹤整體時間的流動。這種方式被稱為「相干量子傳輸」（coherent quantum transport）。

研究人員表示，這就像沙漏一樣，我們不是將每顆沙粒視為一次滴答，而是等待足夠多的沙粒落下後再計時。這樣雖需更長時間才能得出時間單位，但卻會更加精確。更重要的是，此法帶來了強大的效果，亦即精度與熵之間不再是線性等比的關係，因而能帶來巨大的效率提升。

研究人員提出的時鐘設計基於量子多體系統（ quantum many-body system），其中粒子會以協調的波狀模式運動，這種集體行為能在不產生傳統熱力學成本的情況下加以精準控制。

如今研究人員不僅已透過理論模型驗證了這一構想，現在更進一步開始構建了真實版的新型量子時鐘。其中，瑞典查默斯理工大學（Chalmers University of Technolog）某團隊正利用超導電路製作出量子時鐘原型，這不僅是當前精密計時領域的一大突破，對於驗證上述節能理論在實務上的可行性會有很大的幫助，甚至還能將該理論架構應用在諸如感測器或處理器等其他量子設備上，進而發揮更佳的能源效率。