Взаимосвязь неопределенности энергии-времени — это оборотная сторона принципа неопределенности Гейзенберга, который устанавливает ограничения на то, насколько точно вы можете измерять положение и скорость, и был основой квантовой механики на протяжении почти 100 лет. Он стал настолько известным, что заразил литературу и массовую культуру идеей о том, что акт наблюдения 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 на скорость, с которой системы могут прыгать с одной точки. энергетическое состояние к другому.
Наиболее распространенное применение зависимости неопределенности энергии от времени заключалось в понимании распада возбужденных состояний атомов, где минимальное время, необходимое для перехода атома в свое основное состояние и испускания света, связано с неопределенностью энергии атома. возбужденное состояние.«Это первый случай, когда принцип неопределенности энергия-время получил строгую основу — наши аргументы не апеллируют к эксперименту, а исходят непосредственно из структуры квантовой механики», — сказала физик-химик К. Биргитта Уэйли, директор. из Берклиского центра квантовой информации и вычислений и профессором химии Калифорнийского университета в Беркли. «Раньше этот принцип просто вводился в теорию квантовой механики».По ее словам, новый вывод неопределенности энергии-времени применим для любого измерения, связанного со временем, особенно для оценки скорости, с которой будут происходить определенные квантовые процессы, такие как вычисления в квантовом компьютере.
«Принцип неопределенности действительно ограничивает точность ваших часов», — сказал первый автор Тай Волков, аспирант, только что получивший докторскую степень. по химии Калифорнийского университета в Беркли. «В квантовом компьютере он ограничивает скорость перехода из одного состояния в другое, поэтому он накладывает ограничения на тактовую частоту вашего компьютера».Новое доказательство может даже повлиять на недавние оценки вычислительной мощности Вселенной, основанные на принципе неопределенности энергии-времени.
Волкофф и Уэйли включили вывод принципа неопределенности в большую статью, посвященную подробному анализу различимых квантовых состояний, которая появилась в Интернете 18 декабря в журнале Physical Review A.Проблема прецизионного 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 положения (? X), умноженная на неопределенность измерения количества движения (? P), всегда будет больше или равна постоянной Планка (? X? P> h / 4π). Постоянная Планка — это чрезвычайно маленькое число (6,62606957 × 10-34 квадратных метра-килограмм в секунду), которое описывает зернистость пространства.
Для физиков столь же полезный принцип связывает неопределенности измерения как времени, так и энергии: дисперсия энергии квантового состояния, умноженная на время жизни состояния, не может быть меньше постоянной Планка (? E? T ≥ h / 4).«Когда студенты впервые узнают о неопределенности времени и энергии, они узнают о времени жизни атомных состояний или ширине эмиссионных линий в спектроскопии, которые являются очень физическими, но эмпирическими понятиями», — сказал Волкофф.
Квантовая неопределенностьВпервые эта наблюдаемая взаимосвязь была рассмотрена математически в статье 1945 года двумя русскими физиками, которые имели дело только с переходами между двумя явно разными энергетическими состояниями. Новый анализ Волкова и Уэйли применим ко всем типам экспериментов, включая те, в которых начальное и конечное состояния не могут быть полностью различны.
Анализ позволяет ученым рассчитать, сколько времени потребуется, чтобы такие состояния можно было отличить друг от друга на любом уровне достоверности.«Во многих экспериментах, которые исследуют эволюцию квантового состояния во времени, экспериментаторы имеют дело с конечными точками, в которых состояния не полностью различимы», — сказал Волков. «Но вы не можете определить минимальное время, которое займет этот процесс, исходя из нашего нынешнего понимания неопределенности энергии-времени».По его словам, в большинстве экспериментов со светом, например в областях спектроскопии и квантовой оптики, используются не совсем разные состояния.
Эти состояния развиваются во временных масштабах порядка фемтосекунд — миллионных долей миллиардной секунды.В качестве альтернативы ученые, работающие над квантовыми компьютерами, стремятся установить запутанные квантовые состояния, которые развиваются, и выполняют вычисления со скоростью порядка наносекунд.«Наш анализ показывает, что должен пройти минимальный конечный промежуток времени, чтобы достичь заданного уровня успеха в различении исходного квантового состояния от его эволюционирующего во времени изображения с использованием оптимального измерения», — сказал Уэйли.Новый анализ может помочь определить время, необходимое для квантового туннелирования, такого как туннелирование электронов через запрещенную зону полупроводника или туннелирование атомов в биологических белках.
Это также может быть полезно в новой области, называемой «слабое измерение», которое включает 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 состояния.
Работа финансировалась Национальным научным фондом.