我们能建造一个完全量子的量子时钟吗？

量子时钟通常被经典的控制系统控制，但要构建像四处飞行交付分子的微型量子无人机这样的东西我们将需要一种完全量子的方法。

新科学家 By Nicole Yunger Halpern

5 August 2022

PHYSICS 

时钟可以获得一个量子更新。Credit: Quality Stock / Alamy Stock Photo

以下是来自我们的《迷失在空时中》时事通讯中的摘录。每个月，我们都会把键盘交给一两个物理学家来告诉你关于来自他们宇宙角落的迷人想法。注册《迷失在空时中 here》.

时钟调节我们的生活，规制我们何时睡觉和醒来，是否我们赶上回家的航班以及谁在华尔街赢得了一笔财富。就像时钟规制我们一样，它们规制量子设备。

以量子计算机为例。执行任何计算的一个基本部分是在特定时间执行某些任务。外部经典控制系统为今天的量子计算机计时，但是一个可以完全在量子领域运行的控制系统将开辟新的可能性。放开我们的想象力的缰绳自由，我们可能设想能修补或交付分子的微型量子无人机。这种自主机器必须携带它们自己的时钟，这些时钟也必须是量子的，以防止机器失去它们的量子特性。例如，量子技术受益于纠缠，同步量子粒子的强共相关性。量子无人机与普通设备相互作用的次数越多，它的纠缠就越消耗。

问题是我们能建造这样一个量子时钟来完成这项工作吗？

在我们深入研究之前，我应该澄清一下，自主量子时钟与您能在商店购买的所谓原子钟不同。我的祖父母买了这样一个“原子钟”，挂在他们的厨房里，但他们的时钟更准确地说是“无线电控制时钟”。每天，时钟都会从美国国家标准与技术研究院（NIST）的科罗拉多州前哨站接收无线电信号，并将它与美国国家标准与技术研究院操作的高精度时钟同步。

美国国家标准与技术研究院的时钟是一个实际的原子钟------一个量子时钟，但它的控制器之一并不完全存在于量子领域内。一个原子钟包含只能吸收在离散的包中一定量的能量的原子------就像有人能吃一包薯片但不能吃半包一样。一束激光照射在原子上，一个外部控制器测量有多少个原子，可以这么说从激光吃了脆皮包。如果许多原子都已经，那么激光的光由有恰到好处量的能量粒子组成------一个用量子理论计算的量。除了由粒子组成外，光有类似波一样的属性，因此在某种意义上，它们会上下振荡。振荡之间的时间是一秒钟的可计算分数，这被按原子能吸收的能量定义。因此，我们通过等待激光来振荡一定次数测量一秒钟。测量原子能量的控制器不是量子的，一次一个原子钟并不是量子蒸汽朋克时代我们唯一需要的时钟。.

量子物理学先驱沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在1920年代花时间思考量子时钟以及许多其他事情。泡利的兴趣从量子物理学扩展到心理学和哲学，他的名字现在被与泡利不相容原理联系在一起，该原理规制电子怎样在原子中组织。他以简单而基本的概念为主------时间是什么，如果不是基本的东西呢？

泡利指出一个理想的量子时钟有一个“可观测”的时间。可观测的是量子系统的一个可测量属性的物理名称。可测量的示例包括能量、位置和动量。一个理想的量子时钟的可观测时间有一个明确定义的值。一个可观察的怎么在一个不确定的关系中没有参与呢？毕竟你有一个明确定义的能量、位置和动量。但量子位置和动量参与一个不确定性关系。如果一个量子粒子有明确定义的位置，则该粒子没有明确定义的动量，在量子术语中，粒子处于所有可能的动量的超位态中。如果您测量动量，您的探测器能读取任何正数、任何负数或零。类似于粒子明确定义的位置的是一个理想量子时钟的明确定义时间,时钟不会处于一个多次超位状态但时间和能量参与一个类似于位置和动量的不确定性关系。因此一个有明确定义时间的量子系统将处于所有可能能量的超位中。此外，超位将均匀地跨所有可能的能量分布：如果你测量时钟的能量，你的获得一个可能结果的概率将等于你的获得任何其他可能结果的概率。

无限负能量

泡利数学上证明了没有一个量子系统能有一个可观测的时间。如果一个系统有了它可能有一个无限负的能量的量。在我们的世界中有一个无限负的能量是不可能的。因此，按照量子力学，我们的世界会不能容纳时间可观测的或理想的量子时钟。

幸运的是，我们不需要一个理想的量子时钟------一个足够好的量子时钟可能足够好。只是怎样在一张纸上画一个圆形能近似一个圆，如此一个量子时钟也能近似一个理想的时钟。 我的三位同事------乔纳森·奥本海姆（Jonathan Oppenheim）、米沙·伍兹（Mischa Woods）和拉尔夫·席尔瓦（Ralph Silva）------已经设法了来设计这样一个量子时钟。

正如乔纳森和米沙当我一年春天在伦敦拜访他们时向我解释的那样，他们的理论时钟是近似于理想时间状态，超位均匀地跨所有能量分布。他们的超位以特定的模式不均匀地分布：如果你测量时钟的能量，你比其他的更有可能来获得一些结果。因此，时钟的能量仍然是不确定的，只是没有最大的不确定性。因此，时钟不会破坏泡利那样物理定律。

此外，时钟是相当的稳定。读取一个量子时钟与读取一个经典时钟不同。用它来确定时间的行为会引发一种反直觉的量子现象：测量干扰。你能观察一个每天时钟不会影响它报告哪个时间，就像一个警察能记录您的汽车速度不用你注意的一样（因此存在超速罚单）。但量子系统比日常系统更微妙的。如果你测量一个量子系统------或者与它以任何其他方式相互作用------你干扰它，改变它的状态。如果你测量系统的能量，你可能会改变它的能量。

如果时钟是理想的读取量子时钟的时间不会干扰计时。但一个不完美的时钟会随着使用退化，降低我们区分瞬间的能力。你也可以通过越来越模糊的眼镜凝视在一个祖父钟上：6点钟将混合变成5.59和6.01，然后变成5.58和6.02。干扰还阻碍时钟的来启动过程的能力，例如计算中的逻辑门在愿望的时间上。

米莎、拉尔夫和乔纳森的时钟能多好承受这样的干扰？你可以说如果引导我在英国的同事就不会太糟糕。想象增加的时钟------向它添加粒子，尽管不是如此多粒子以至于时钟失去它的量子性质。时钟越大，它的弹性就越强。付出一点点会让你得到很多：随着时钟增长，它的弹性呈指数级增长。

到目前为止，这些属特仍然是理论上的，科学家们被艰难压力了来建造甚至外部上控制的量子计算机，更不用说自主计算机了。但实验对量子系统的控制在过去三十年中已经迅速进步了，并且没有显示出放缓的迹象。自主时钟是否能使量子计算机和其他机器来独立运行可能？无论在量子时钟上还是在每天用的时钟上，时间将告诉。

尼克尔云格尔哈尔颇恩（Nicole Yunger Halpern）运行可以说是宇宙中最有名的研究小组: The Quantum-Steampunk Laboratory.她的工作涉及重新构想量子时代的热力学。蒸汽机和工业机械的物理学是在1920年代量子理论结晶之前大约一个世纪工作出来的------在科技初创企业开始使用量子物理学来构建计算机和传感器之前近两个世纪------因此她和她的团队相信热力学现在应该跟着一个更新。

https://www.newscientist.com/article/2330957-can-we-build-a-quantum-clock-that-is-entirely-quantum/