Ученые доказали фундаментальную взаимосвязь между энергией и временем, которая устанавливает "квантовый предел скорости" для процессов от квантовых вычислений и туннелирования до оптической коммутации. Отношение неопределенности энергия-время является обратной стороной принципа неопределенности Гейзенберга, который устанавливает пределы того, насколько точно можно измерить положение и скорость, и был основой квантовой механики на протяжении почти 100 лет. Стало настолько известно, что она заразила литературу и народную культуру идеей о том, что наблюдательный акт влияет на то, что мы наблюдаем.
Вскоре после того, как немецкий физик Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой механики, предложил свою связь между положением и скоростью, другие ученые пришли к выводу, что энергия и время связаны аналогичным образом, подразумевая ограничения скорости, с которой системы могут переходить из одного энергетического состояния в другое. Наиболее распространенное применение зависимости неопределенности энергия-время заключается в понимании разложения возбужденных состояний атомов, когда минимальное время, необходимое для перехода атома в исходное состояние и излучения света, связано с неопределенностью энергии возбужденного состояния.
Принцип неопределенности действительно ограничивает точность Ваших часов. В квантовом компьютере он ограничивает скорость перехода из одного состояния в другое, поэтому накладывает ограничения на скорость вашего компьютера.
Новое доказательство может даже повлиять на последние оценки вычислительной мощности Вселенной, которые основаны на принципе неопределенности энергия-время.
Проблема точного измерения
Принцип неопределенности Гейзенберга, предложенный в 1927 году, гласит, что невозможно точно измерить как положение, так и скорость, или, точнее, импульс, объекта. То есть неопределенность измерения позиции (∆x) умноженная на неопределенность измерения момента (∆p) всегда будет больше или равна постоянной Планка (∆x∆p > h/4π). Постоянная Планка - это чрезвычайно небольшое число (6,62606957 × 10-34 квадратных метра в секунду), характеризующее зернистость пространства.
Для физиков одинаково полезен принцип, связанный с неопределенностями измерения как времени, так и энергии: Дисперсия энергии квантового состояния на время жизни состояния не может быть меньше постоянной Планка (∆E∆t ≥ h/4).
"Когда студенты впервые узнают о неопределенности во времени и энергии, они узнают о сроке службы атомных состояний или толщине линий излучения в спектроскопии, которые являются очень физическими, но эмпирическими понятиями", - сказал Волкофф.
Квантовая неопределенность
Эта наблюдаемая взаимосвязь была впервые рассмотрена математически в 1945 году двумя физиками, которые рассматривали только переходы между двумя, очевидно, разными энергетическими государствами. Новый анализ, проведенный Волкоффом и Китом, применим ко всем видам экспериментов, включая те, в которых начальное и конечное состояния могут быть не совсем различимыми. Анализ позволяет ученым рассчитать, сколько времени понадобится для того, чтобы такие государства можно было отличить друг от друга с любой степенью достоверности.
"Во многих экспериментах, изучающих эволюцию квантового состояния во времени, экспериментаторы имеют дело с конечными точками, где состояния не полностью различимы", - сказал Волкофф. "Но вы не смогли определить минимальное время, которое этот процесс займет, исходя из нашего понимания неопределенности энергии-времени."
По его словам, большинство экспериментов со светом, как в спектроскопии и квантовой оптике, связаны с не совсем различимыми состояниями. Эти государства эволюционируют по шкале времени порядка фемтосекунд - миллионных долей миллиардной доли секунды.
В качестве альтернативы ученые, работающие на квантовых компьютерах, стремятся установить запутанные квантовые состояния, которые развиваются и выполняют вычисления со скоростями порядка наносекунд.
"Наш анализ показывает, что для достижения заданного коэффициента успешности при определении исходного квантового состояния и его эволюционирующего во времени изображения с помощью оптимального измерения должен пройти минимальный промежуток времени", - сказал Уэйли.
Новый анализ может помочь определить время, необходимое для квантового туннелирования, например, туннелирование электронов через полосы пропускания полупроводников или туннелирование атомов в биологических белках.
Это также может быть полезно в новой области под названием "слабые измерения", которые включают в себя отслеживание небольших изменений в квантовой системе, таких как запутанные кубиты в квантовом компьютере, по мере развития системы. Ни одно измерение не видит состояния, которое полностью отличается от предыдущего.
