Oxford Üniversitesi tarafından yürütülen bir araştırma, kuantum zaman işleyişinde şaşırtıcı bir entropi kaynağı, yani ölçüm eyleminin kendisini tespit etti. Yayınlanan bir çalışmada Fiziksel İnceleme MektuplarıBilim adamları, bir kuantum saatini “okumanın” enerji maliyetinin, onu çalıştırmanın maliyetinden çok daha fazla olduğunu ve bunun gelecekteki kuantum teknolojilerinin tasarımına etkileri olduğunu gösteriyor.
İster sarkaç ister atomik osilatör olsun, saatler zamanın geçişini işaretlemek için geri dönüşü olmayan süreçlere dayanır. Bu tür süreçlerin zayıf olduğu veya neredeyse hiç olmadığı kuantum ölçeğinde zaman işleyişi çok daha zorlu hale geliyor.
Sensörler ve navigasyon sistemleri gibi hassas zaman işleyişine dayanan geleceğin kuantum cihazları için dahili saatlerinin enerji açısından verimli olması kritik önem taşıyor. Ancak şimdiye kadar kuantum saatlerin termodinamiği bir sır olarak kaldı.
Kuantum saatlerinin ölçülmesi enerji yoğundur
Bu yeni çalışmada araştırmacılar, zamanı kuantum ölçeğinde tutmanın gerçek termodinamik maliyetinin ne olduğunu ve bu maliyetin ne kadarının ölçüm eyleminin kendisinden geldiğini sordular.
Bunu yapmak için, iki nano ölçekli bölge (çift kuantum noktası olarak bilinir) arasında atlayan tek elektronları kullanarak, her atlamanın saatin bir “tik tak”ı gibi hareket ettiği mikroskobik bir saat inşa ettiler.
Bu keneleri tespit etmek için araştırmacılar iki yöntem kullandılar; biri küçük elektrik akımlarını ölçüyordu, diğeri ise sistemdeki değişiklikleri algılamak için radyo dalgalarını kullanıyordu. Her iki durumda da sensörler kuantum sinyallerini (elektron sıçramalarını) kaydedebileceğimiz klasik verilere dönüştürür: kuantumdan klasiğe geçiş.
Araştırmacılar entropiyi (dağılan enerji miktarını) hem kuantum saat mekanizmasıyla (yani çift kuantum noktası) hem de ölçüm aparatıyla hesapladılar. Sonuçları, bir kuantum saatini okumak (yani minik sinyallerini kaydedebileceğimiz bir şeye dönüştürmek) için gereken enerjinin, saatin kullandığı enerjiden milyarlarca kat daha fazla olduğunu ortaya çıkardı.
Bu, kuantum fiziğinde ölçüm maliyetinin göz ardı edilebileceği varsayımını tersine çevirir. Aynı zamanda şaşırtıcı bir içgörüyü de vurguluyor: Zamanı geri döndürülemez hale getirerek ona yön veren şey, bizzat gözlem eylemidir.
Bu, daha verimli saatlerin daha iyi kuantum sistemlerine ihtiyaç duyduğu şeklindeki yaygın varsayımı tersine çevirir. Bunun yerine araştırmalar, keneleri ölçmenin daha akıllı, enerji açısından daha verimli yollarına odaklanmalıdır.
Gelecekteki kuantum cihazları için çıkarımlar
Başyazar Profesör Natalia Ares (Oxford Üniversitesi, Mühendislik Bilimleri Bölümü) şunları söyledi: “En küçük ölçeklerde çalışan kuantum saatlerin zaman işleyişinin enerji maliyetini düşürmesi bekleniyordu, ancak yeni deneyimiz şaşırtıcı bir gelişmeyi ortaya koyuyor. Bunun yerine, kuantum saatlerde kuantum tik-takları saat mekanizmasınınkini çok aşıyor.”
Ancak araştırmacılara göre bu dengesizlik bir kusur değil, bir özellik olabilir. Ekstra ölçüm enerjisi, saatin davranışı hakkında daha fazla bilgi verebilir: yalnızca bir tıklama sayımı değil, aynı zamanda her küçük değişikliğin ayrıntılı bir kaydı. Bu, son derece hassas saatleri daha verimli bir şekilde elde etmenin yeni yollarını açar.
Ortak yazar Vivek Wadhia (Doktora öğrencisi, Mühendislik Bilimleri Bölümü) şunları söyledi: “Sonuçlarımız, literatürde sıklıkla göz ardı edilen bir saatin tik taklarının yükseltilmesi ve ölçülmesiyle üretilen entropinin, kuantum ölçeğinde zaman işleyişinin en önemli ve temel termodinamik maliyeti olduğunu gösteriyor.
“Bir sonraki adım, doğanın yaptığı gibi çok daha verimli bir şekilde hesaplama yapan ve zamanı tutan otonom cihazlar tasarlayabilmemiz için nano ölçekli cihazlarda verimliliği yöneten ilkeleri anlamaktır.”
Ortak yazar Florian Meier (Doktora öğrencisi, Technische Universität Wien) şunları söyledi: “Araştırma, kuantum saatlerinin ötesinde, zamanın neden tek yönde aktığı da dahil olmak üzere fizikteki derin sorulara değiniyor. Zamana ileri doğru yön verenin yalnızca tik-tak sesi değil, ölçüm eylemi olduğunu göstererek, bu yeni bulgular enerji fiziği ile bilgi bilimi arasında güçlü bir bağlantı kuruyor.”
Çalışma aynı zamanda TU Wien ve Trinity College Dublin’den araştırmacıları da içeriyordu.
