多年来，物理学家已经通过量子力学将量子时钟（quantum clock）的精确度推向难以置信的境界。然而量子时钟一直存在一个先天上极大的限制，那就是时钟越精确，所消耗的能量就越多，产生的混乱或熵也越大。
随着2023年在维也纳举办量子热力学会议（Quantum Thermodynamics Conference）后，研究人员便开始重新思考量子级计时背后的基本假设。如今某国际研究团队甚至创建了一种新型量子时钟的理论架构，这种时钟不仅能以惊人的精确度计时，还能大幅降低能源浪费。此举不仅有可能彻底改变我们构建时钟的方式，并有助于推动更高效率的量子计算机与相关技术的发展。
通过“相干量子传输”方式，基于量子多体系统传统时钟，包括现有的量子时钟，皆依赖计数一连串不可逆的重复事件，例如钟摆的摆动或原子能阶跃迁。每当“滴答”发生时，都会有少量能量以热量的形式散失（这就是entropy熵）。在传统或量子时钟中，若要将精度提高一倍，也必须增加一倍的熵。这种一比一的交换关系，一直被视为计时上的基本限制。
为了改善这一点，研究人员提出了不同的策略。他们不再将每一次滴答视为必须观测与记录的独立事件（如此也会消能耗量），而是探讨人们若能让量子事件像波一般地连贯、顺畅地展开而不受干扰的话会如何。
在研究人员的模型中，时钟并不测量每一个独立的滴答，而是通过让量子激发（quantum excitation）在系统中不受干扰地传输，来关注整体时间的流动。这种方式被称为“相干量子传输”（coherent quantum transport）。
研究人员表示，这就像沙漏一样，我们不是将每颗沙粒视为一次滴答，而是等待足够多的沙粒落下后再计时。这样虽需更长时间才能得出时间单位，但却会更加精确。更重要的是，此法带来了强大的效果，也即精度与熵之间不再是线性等比的关系，因而能带来巨大的效率提升。
研究人员提出的时钟设计基于量子多体系统（quantum many-body system），其中粒子会以协调的波状模式运动，这种集体行为能在不产生传统热力学成本的情况下加以精准控制。
如今研究人员不仅已通过理论模型验证了这一构想，现在更进一步开始构建了真实版的新型量子时钟。其中，瑞典查默斯理工大学（Chalmers University of Technolog）某团队正利用超导电路制作出量子时钟原型，这不仅是当前精密计时领域的一大突破，对于验证上述节能理论在实务上的可行性会有很大的帮助，甚至还能将该理论架构应用在诸如传感器或处理器等其他量子设备上，进而发挥更佳的能源效率。
（首图来源：Chalmers University of Technolog）
