Atom saatleri enerji tüketim sınırını aşarak hassasiyeti artırıyor

Nanoteknoloji

Teknolojik Yenilik Web Sitesi Editör Ekibi - 16/06/2025

Sanatçının, atomlardan oluşan bir halkadan inşa edilen ve ultra hassas zaman tutmayı sağlayan Halka Saati tasviri. Tek bir kuantum parçacığı halkanın etrafında tutarlı bir şekilde döner - her bir devir bir tiktir - saatin klasik saatlerin termodinamik sınırlamalarını aşmasını sağlar. [Görsel: Alexander Rommel/TU Wien]

Daha doğru kuantum saatleri

Avusturya, Malta ve İsveç'ten fizikçi ve mühendislerden oluşan bir ekip, halihazırda var olan en doğru cihazlar olan atom saatlerinin , çok fazla enerji harcamadan da doğrulukta sıçrama yapabileceğini keşfetti.

Florian Meier ve meslektaşları, şimdiye kadar varsayılan doğruluk sınırlarını çok aşmanın mümkün olduğunu ve zamansal hassasiyeti katlanarak artırmanın mümkün olduğunu gösterdiler. Bu, yalnızca gelecek nesil yüksek hassasiyetli ölçümlerin ve ultra hızlı olayların izlenmesinin önünü açmakla kalmayacak, aynı zamanda fizikteki en büyük gizemlerden biri olan kuantum fiziği ile termodinamik arasındaki bağlantıya da ışık tutacak.

Atomik saatler kuantum fiziğinin temel yasalarına göre çalışır, ancak bu yasalar her zaman bir miktar belirsizlik içerir. Sonuç olarak, bir miktar rastgelelikle, belirli bir istatistiksel gürültü seviyesiyle yaşamak gerekir, bu da saatler söz konusu olduğunda, belirli bir enerji harcaması için elde edilebilecek hassasiyetin temel sınırlarıyla sonuçlanır.

Yani şimdiye kadar, bir öncekinden iki kat daha hassas bir saat inşa etmenin en az iki kat daha fazla enerji gerektireceği değişmez bir yasa gibi görünüyordu.

Ekibin şimdi gösterdiği şey, bu kuralın, tıpkı saniye kolu ve dakika kolu bulunan normal bir saatte olduğu gibi, iki farklı zaman ölçeği kullanan bir atom saati inşa ederek, atom saatinin doğruluğunu katlanarak artırmak için aşılabileceğidir.

• Kuantum teorisi ve termodinamik, fikir ayrılıklarına rağmen uyum içinde yaşayabilirler

Saat, halkanın etrafında dolaşan tek bir uyarımı barındıran n kuantum sisteminden ("bardaklar") oluşan bir halkadan oluşur. Bir döngü tamamlandığında, saat sondan ilk siteye atlayarak tik tak eder. [Görsel: Florian Meier ve diğerleri - 10.1038/s41567-025-02929-2]

Zamanı ölçmek neden entropiyi artırır?

Zaman ölçümündeki hassasiyet ile enerji tüketimi arasındaki ilişkiyi anlamak için, zaman ölçümünün Evrenin entropisini artırdığını hatırlamak gerekir.

Herhangi bir saat iki bileşenden oluşur: bir sarkaç veya bir atomun salınımları olabilen zaman tabanlı bir üreteç ve o temel zaman biriminin kaç kez geçtiğini sayan herhangi bir mekanizma olan bir sayaç.

Zaman tabanlı üreteç her zaman tam olarak aynı duruma geri dönebilir: Bir tam salınımdan sonra, bir sarkaçlı saatin sarkaçı tam olarak daha önce olduğu yerdedir; belirli sayıda salınımdan sonra, bir atom saatindeki sezyum atomu tam olarak daha önce olduğu duruma geri döner. Öte yandan, sayaç değişmelidir, aksi takdirde saat işe yaramaz.

"Bu, her saatin geri döndürülemez bir sürece bağlı olması gerektiği anlamına gelir," diye açıklıyor Viyana Teknik Üniversitesi'nden Profesör Florian Meier. "Termodinamik dilinde, bu, her saatin Evren'deki entropiyi veya enerji dağılımını artırdığı anlamına gelir; aksi takdirde, bir saat değildir."

Klasik bir saatin sarkaçı, etrafındaki hava molekülleri arasında bir miktar ısı ve düzensizlik yaratır ve bir atom saatinin durumunu okuyan her lazer ışını, ısı, radyasyon ve dolayısıyla entropi üretir.

"Artık çok yüksek hassasiyete sahip varsayımsal bir saatin ne kadar entropi üretmesi gerektiğini ve dolayısıyla böyle bir saatin ne kadar enerjiye ihtiyaç duyacağını düşünebiliriz," diye açıklıyor Profesör Marcus Huber. "Şimdiye kadar doğrusal bir ilişki varmış gibi görünüyordu: Bin kat daha fazla hassasiyet istiyorsanız, en azından bin kat daha fazla entropi üretmeniz ve bin kat daha fazla enerji kullanmanız gerekir."

• Kuantum Termodinamiği: Kuantum dünyasında entropi gerçekten de mevcut olabilir

Bu keşiften faydalanacak olan günümüz hassasiyetindeki yıldızlar optik kuantum saatleridir . [Görsel: Physikalisch-Technische Bundesanstalt]

Entropiyi artırmadan doğruluğu nasıl artırabilirsiniz?

Ancak şimdi her şey değişti. Önceki bölümdeki aynı fikir hala geçerli olsa da, ekip basit bir numarayla bunun etrafından dolaşmanın mümkün olduğunu keşfetti: Tıpkı analog bir saatin dakika ve saniye kollarına sahip olması gibi, iki farklı zaman ölçeği kullanmak.

Aslında, bir dizi ikincil zaman ölçme cihazı eklemek ve daha sonra bunlardan kaçının geçtiğini saymak mümkündür - tıpkı bir dakika kolunun saniye kolunun kaç devir yaptığını sayması veya saat kolunun dakika kolunun kaç devir tamamladığını sayması gibi.

Klasik bir saatte, ölçekteki bu artış, bir kol bir devrim yaptığında diğeri yeni bir konuma hareket ettiğinde oluşan entropiyi de artırır. Başka bir deyişle, artan hassasiyet daha fazla enerji harcamayı gerektirir. Ancak, kuantum fiziği başka bir tür parçacık taşınmasına da izin verir: Parçacıklar tüm yapı boyunca, yani tüm saat kadranı boyunca, hiçbir yerde ölçülmeden seyahat edebilirler. Bir anlamda, parçacık bu süreç boyunca aynı anda her yerdedir; nihayet varana kadar açıkça tanımlanmış bir konumu yoktur - ve ancak o zaman gerçekten ölçülür, yani, tüm sürecin yalnızca bu kısmı geri döndürülemezdir ve entropiyi artırır.

"Bu şekilde, entropiye neden olmayan hızlı bir sürece -kuantum taşınması- ve parçacığın en son varışına sahip olan yavaş bir sürece sahibiz," diye açıklıyor ekibin bir üyesi olan Yuri Minoguchi. "Yöntemimizin kritik noktası, bir tarafın tamamen kuantum fiziği açısından davranması ve yalnızca diğer, daha yavaş tarafın entropi üreten bir etkiye sahip olmasıdır."

Sonuç olarak bu strateji, entropideki her artışla birlikte atom saatinin doğruluğunda üstel bir artışa izin verir. Bu, önceki teoriler kullanılarak daha önce düşünülenden çok daha fazla doğruluk elde edilebileceği anlamına gelir.

Huber, "Bu, yüksek hassasiyetli kuantum ölçümleri ve istenmeyen dalgalanmaların bastırılması konusundaki araştırmalar için önemli bir sonuçtur ve aynı zamanda fiziğin çözülememiş en büyük gizemlerinden birini, kuantum fiziği ile termodinamik arasındaki bağlantıyı daha iyi anlamamıza yardımcı olur" diyerek sözlerini tamamladı.

Diğer haberler:

Daha fazla konu