示例时钟的过采样状态 - 弱光环境中的钟摆。该时钟产生熵的两个来源是：发条本身内部的摩擦力，以及跟踪钟摆位置所必需的物质-光相互作用。该图显示了该时钟的基本滴答事件作为时间的函数，即当钟摆接近其最大偏转时，光子从钟摆上反射出来。在过采样制度中，两个这样的刻度之间的平均时间比 TPC（连续线）的周期短得多，在该钟摆的情况下，TPC 的周期为 2 秒。由于技术限制，人们不计算光子，而是计算TPC在平均光强度中的循环。图片来源：arXiv （2023）。DOI： 10.48550/arxiv.2301.05173

关于如何构建量子计算机，有不同的想法。但它们都有一个共同点：你使用量子物理系统（例如，单个原子），并通过在特定时间内将它们暴露在非常特定的力下来改变它们的状态。然而，这意味着为了能够依靠量子计算操作提供正确的结果，你需要一个尽可能精确的时钟。

但在这里你会遇到问题：完美的时间测量是不可能的。每个时钟都有两个基本属性：一定的精度和一定的时间分辨率。时间分辨率表示可以测量的时间间隔有多小，即时钟滴答作响的速度。精度告诉您每个价格变动的不准确性程度。

研究小组能够证明，由于没有一个时钟具有无限量的可用能量（或产生无限量的熵），因此它永远不可能同时具有完美的分辨率和完美的精度。这为量子计算机的可能性设定了根本限制。

量子计算步骤就像旋转

在我们的经典世界中，完美的算术运算不是问题。例如，您可以使用算盘，将木球穿在棍子上并来回推动。木珠有清晰的状态，每个珠子都在一个非常特定的地方，如果你什么都不做，珠子就会原封不动地留在原地。

无论您快速还是缓慢移动珠子都不会影响结果。但在量子物理学中，它更为复杂。

“从数学上讲，改变量子计算机中的量子态对应于更高维度的旋转，”维也纳理工大学原子研究所的Jake Xuereb说，他是Marcus Huber团队的第一作者，也是发表在《物理评论快报》上的第一篇论文的第一作者。“为了最终达到理想的状态，必须在非常特定的时间段内进行轮换。否则，你要么把状态转得太短，要么太远。

熵：时间让一切变得越来越混乱

马库斯·胡贝尔（Marcus Huber）和他的团队总体上调查了哪些法律必须始终适用于每个可以想象的时钟。“时间测量总是与熵有关，”Marcus Huber解释道。在每个封闭的物理系统中，熵都会增加，并且变得越来越无序。正是这种发展决定了时间的方向：未来是熵更高的地方，过去是熵更低的地方。

可以看出，每一次时间测量都不可避免地与熵的增加有关：例如，时钟需要一个电池，其能量最终通过时钟的机械机制转化为摩擦热和可听见的滴答声——在这个过程中，电池发生相当有序的状态，电池被转换为相当无序的热辐射和声音状态。

在此基础上，研究团队能够创建一个数学模型，基本上每个可以想象的时钟都必须服从。“对于给定的熵增加，在时间分辨率和精度之间需要权衡，”第二篇论文的第一作者Florian Meier说，该论文现已发布到arXiv预印本服务器上。“这意味着：要么时钟工作得很快，要么工作得精确——两者都不可能同时发生。

量子计算机的限制

现在，这种认识给量子计算机带来了一个自然的限制：时钟可以达到的分辨率和精度限制了量子计算机可以实现的速度和可靠性。“目前这不是问题，”Huber说。

“目前，量子计算机的精度仍然受到其他因素的限制，例如所用组件的精度或电磁场。但是我们的计算也表明，今天我们离时间测量的基本限制起决定性作用的制度不远了。

因此，如果量子信息处理技术进一步完善，将不可避免地要面对非最优时间测量的问题。但谁知道呢：也许这正是我们了解量子世界有趣事物的方式。

更多信息：Florian Meier 等人，计时设备的基本精度-分辨率权衡，arXiv （2023）。DOI： 10.48550/arxiv.2301.05173

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv