خواندن ساعت کوانتومی انرژی بیشتری نسبت به راه‌اندازی واقعی آن مصرف می‌کند
نگهداری زمان به‌صورت کوانتومی همراه با پارادوکس‌های مکانیک کوانتومی است؛ مطالعه‌ای جدید این را نشان می‌دهد.
فناوری‌های کوانتومی — دستگاه‌هایی که بر پایه اصول مکانیک کوانتومی کار می‌کنند — نوآوری‌های تحول‌آفرینی را در هر زمینه‌ای که به‌کار گرفته شوند، برای کاربران به ارمغان می‌آورند. به‌طرز کنایه‌آور، همان اصول گاهی موانعی ایجاد می‌کنند که مانع پیشرفت واقعی این دستگاه‌های ظاهراً شگفت‌انگیز می‌شود.
یک مطالعهٔ جدید که در ۱۴ نوامبر در مجلهٔ Physical Review Letters منتشر شد، این مشکل را با نشان دادن مانعی دیگر — خود عمل اندازه‌گیری — به‌طور واضح‌تری تثبیت می‌کند. در این آزمایش، فیزیک‌دانان ساعتی کوانتومی میکروسکوپی ساختند و دریافتند که انرژی لازم برای خواندن این ساعت‌ها می‌تواند تا یک میلیارد برابر بیشتر از انرژی مورد نیاز برای راه‌اندازی آن باشد.
یافته‌ها نکته‌ای را برجسته می‌کنند که «معمولاً در ادبیات نادیده گرفته می‌شود»، یعنی هزینهٔ مشاهده در مکانیک کوانتومی، بر اساس این مطالعه. در عین حال، انرژی اضافی می‌تواند فرصتی برای ساخت ساعت‌های اطلاعاتی‌تر و فوق‌دقیق فراهم آورد — به شرط این‌که فیزیک‌دانان راهی برای این کار پیدا کنند.
«ساعت‌های کوانتومی که در کوچک‌ترین مقیاس‌ها کار می‌کنند، انتظار می‌رفت هزینهٔ انرژی نگهداری زمان را کاهش دهند، اما آزمایش جدید ما یک چرخش شگفت‌انگیز را نشان می‌دهد»، گفت ناتالیا آرس، نویسندهٔ ارشد این مطالعه و فیزیک‌دان دانشگاه آکسفورد، بریتانیا، در بیانیه‌ای. «در عوض، در ساعت‌های کوانتومی تیک‌های کوانتومی بسیار بیشتر از مکان‌ساعت خود هستند.»
پیش‌زمینه (بسیار فشرده)
زمان مفهومی بسیار دشوار در مکانیک کوانتومی است؛ تأثیر آن در قلمرو کوانتومی ضعیف یا تقریباً نامربوط است. با این حال، دستگاه‌های واقعی تحت پدیده‌های واقعی قرار می‌گیرند که بر حسب زمان تغییر می‌کنند. برای پژوهشگران، این به این معناست که دستگاه‌های کوانتومی آینده — مانند حسگرها یا سامانه‌های ناوبری — باید ساعت‌های داخلی فوق‌دقیق داشته باشند تا مشکلات را به حداقل برسانند.
سپس مسئلهٔ اندازه‌گیری مطرح می‌شود؛ آزمایش فکری معروف گربهٔ شرودینگر به‌خوبی این پدیده را نشان می‌دهد. سیستم‌های کوانتومی می‌توانند در حالت ابرپوشانی از چندین وضعیت وجود داشته باشند، اما هنگامی که ناظر سعی می‌کند آن را اندازه‌گیری کند، تنها یک نتیجه به‌دست می‌آید. بنابراین گربه می‌تواند زنده یا مرده باشد، ولی تا زمانی که جعبه را باز نکنیم، نمی‌دانیم.
یک ساعت عادی به طور خودکار حرارت تولید می‌کند — که به تبع آن آنتروپی، یعنی معیاری از بی‌نظمی، ایجاد می‌شود — در حین تیک‌زدن و ثبت گذر زمان. اثر این حرارت معمولاً آن‌قدر ناچیز است که در اکثر موارد اهمیتی ندارد؛ به همین دلیل اکثر پژوهشگران حوزه کوانتوم اثرات تیک‌های ساعت را در دستگاه‌های کوانتومی نادیده می‌گیرند، بر اساس نظر این پژوهشگران.
اندازه‌گیری تیک‌های کوانتومی
برای آزمایش، تیم یک ساعت کوانتومی ایجاد کرد که بر پایهٔ دو الکترون که بین دو ناحیه مختلف می‌پرند، عمل می‌کرد. هر پرش معادل یک «تیک» ساعت معمولی بود. آنها تغییرات جریان‌های الکتریکی ریز و امواج رادیویی — دو سیگنال کوانتومی متفاوت — را پیگیری کرده و این تغییرات را به داده‌های کلاسیک زمان‌سنجی تبدیل کردند. سپس، پژوهشگران هزینهٔ انرژی آنتروپی ناشی از «تیک»های پریدن الکترون‌ها را با انرژی مورد نیاز برای اندازه‌گیری این تیک‌ها مقایسه کردند.
به‌طور شگفت‌انگیزی، آنها کشف کردند که مورد دوم «نه تنها مورد اول را به‌مراتب پشت سر می‌گذارد، بلکه دقت بسیار بیشتری نیز به‌دست می‌دهد»، بر اساس مقاله. یعنی، صرف‌نظر از بازده، انرژی اضافهٔ ناشی از اندازه‌گیری در واقع به تیم امکان داد تا ساعت را با دقت بیشتری کنترل کند.
نگاهی به آینده نشان می‌دهد که درک چنین دینامیک‌هایی می‌تواند برای همگام‌سازی عملیات‌های مرتبط با زمان در رایانه‌های پیشرفته مفید باشد؛ ادوارد لیرد، فیزیک‌دانی از دانشگاه لنکاستر در بریتانیا که در این کار جدید دخالتی نداشته است، به مجله Physics Magazine گفت. یافته‌ها سؤالات بنیادی‌تری را برانگیخته‌اند که آیا خود عمل مشاهده است که به زمان جهت می‌دهد یا نه، افزودند پژوهشگران.
«با نشان دادن این‌که عمل اندازه‌گیری — نه صرفاً تیک‌زدن — است که جهت‌گیری زمان به‑پیش را می‌آورد، این یافته‌های جدید ارتباط قوی‌ای بین فیزیک انرژی و علم اطلاعات برقرار می‌کند»، فلوریان ماییر، هم‌نویسندهٔ اصلی این مطالعه و پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه تکنیک ویِن (Technische Universität Wien) در اتریش، در بیانیه‌ای توضیح داد.
همان‌طور که پژوهشگران در مقاله اشاره می‌کنند، بهینه‌سازی انرژی همواره مسأله‌ای مستمر در طراحی فناوری‌های کوانتومی بوده است. بنابراین جالب است که این مقاله می‌تواند به‌عنوان دعوتی برای دور شدن از سخت‌افزار و بازنگری برخی از پارادوکس‌های ذاتی در مکانیک کوانتومی نظری تفسیر شود.