Bingkai untuk melakukan jam kuantum mikroskopis, sangat tepat dan efisien dalam energi

Dalam beberapa dekade terakhir, fisikawan telah berusaha mengembangkan jam tangan yang semakin canggih dan tepat untuk secara andal mengukur durasi proses fisik yang dikembangkan untuk waktu yang sangat singkat, yang membantu memvalidasi beberapa prediksi teoretis. Ini termasuk jam tangan kuantum yang disebut SO, sistem waktu yang memanfaatkan prinsip -prinsip mekanika kuantum untuk mengukur waktu dengan presisi yang sangat tinggi.

Setelah berkumpul di Konferensi Termodinamika Quantum (QTD) 2023 di Wina, tim peneliti dari Technische University Wien (Tu Wien), Akademi Ilmu Pengetahuan Austria, Universitas Teknologi Chalmers dan Universitas Malta berangkat untuk membuat jam kuantum mikroskopis yang baru dapat menjaga waktu di presis dan sementara Dislik. Bingkai untuk mengembangkan jam ini disajikan dalam sebuah artikel. diterbitkan di dalam Fisika Alam.

“Prinsip utamanya adalah kemungkinan pertukaran keakuratan jam dengan resolusinya (dalam kuantum yang baru dan benar -benar),” kata Marcus Huber, penulis utama dokumen tersebut, kepada Tech Xplore. “Seperti dalam arloji pasir, kita bisa, alih -alih menggunakan butiran pasir individu seperti kutu, tunggu sampai jumlah yang cukup telah jatuh. Unit waktu yang dihasilkan akan diselesaikan dengan lebih akurat, dengan mengorbankan harus menunggu lebih banyak.

“Hal yang sama bisa, misalnya, juga mengatakan jam tangan mekanis dengan ratchet yang menggerakkan tangan kedua dan tangan kedua yang menggerakkan tangan menit. Tetapi masing -masing peristiwa mendasar ini (baik berpasir, kedua atau menyelidiki medan elektromagnetik dari laser yang stabil dalam transisi atom) memiliki biaya termodinamika.”

Setiap kali peristiwa yang tidak dapat diubah terjadi, energi menghilangkan teknologi waktu tunggu. Oleh karena itu, untuk meningkatkan keakuratan jam tangan, entropi juga diperlukan untuk meningkat (yaitu, gangguan atau keacakan mereka).

Hubungan antara ketepatan jam tangan klasik, serta jam tangan kuantum paling sederhana, dan termodinamika mereka linier. Ini berarti bahwa untuk menggandakan ketepatannya, orang juga membutuhkan disipasi ganda entropi (yaitu, kehilangan energi yang dapat digunakan).

“Karakteristik utama kami dari banyak jam tangan tubuh adalah bahwa hal ini memungkinkan peristiwa -peristiwa yang mendasari ini diangkut dengan cara yang konsisten, tanpa menghasilkan peristiwa yang tidak dapat diubah dalam prosesnya,” kata Huber. “Seolah -olah tangan kedua dari suatu jam bergerak tanpa mengamati dan tidak terganggu, ketepatan menit pada akhir pass masih meningkat. Dengan cara itu, transportasi kuantum dan kuantum banyak tubuh memungkinkan hampir tanpa peningkatan presisi (setidaknya hanya logarhythmally dengan jumlah peristiwa yang secara klasik akan diamati sendiri).”

Karakteristik karakteristik dari desain jam kuantum yang diperkenalkan oleh Huber dan rekan -rekannya adalah bahwa ia didasarkan pada transportasi kuantum -bebas dari disipasi, transfer yang mirip dengan gelombang status kuantum. Ini dapat memungkinkannya untuk menghilangkan entropi secara signifikan lebih sedikit daripada jam tangan kuantum yang diperkenalkan sebelumnya, yang meningkatkan efisiensi energinya.

“Akibatnya, satu revolusi jam kuantum menyiratkan disipasi secara signifikan lebih sedikit daripada jam klasik, yang tangannya terus menerus diproduksi selama gerakannya,” Florian Meier, penulis pertama artikel itu, menjelaskan.

Desain Clock Quantum yang diusulkan oleh tim peneliti ini menentang asumsi yang lama bahwa meningkatkan ketepatan perangkat waktu tunggu memiliki biaya, yaitu peningkatan disipasi energi. Di masa depan, dapat membuka kemungkinan baru yang menarik untuk realisasi sistem pemeliharaan kuantum yang sangat tepat dan tanpa efisiensi energi.

“Saat ini, disipasi bukanlah batasan utama dalam kinerja jam terbaru,” kata Meier. “Namun, ketika teknologi jam terus berkembang, kami mendekati titik di mana disipasi dapat menjadi faktor signifikan yang mempengaruhi ketepatan. Analogi yang berguna berasal dari ilmu komputer klasik: selama bertahun -tahun, selama bertahun -tahun, selama bertahun -tahun, disipasi panas Itu dianggap tidak signifikan, tetapi di pusat data saat ini yang memproses informasi dalam jumlah besar, itu telah menjadi masalah praktis yang besar. Demikian pula, kami mengantisipasi bahwa untuk aplikasi tertentu dari jam tangan presisi tinggi, disipasi pada akhirnya akan memaksakan batasan. “

Meskipun para peneliti memperkirakan bahwa disipasi pasti akan membatasi sejauh mana keakuratan jam tangan kuantum dapat ditingkatkan, dokumen mereka menjelaskan prinsip -prinsip fisika fundamental yang dapat membantu meminimalkan disipasi di masa depan. Sebagai bagian dari studi berikutnya, Huber, Meier dan rekan -rekannya ingin mulai mencoba prototipe jam kuantum mereka di lingkungan eksperimental, untuk lebih memvalidasi potensi mereka.

“Di Chalmers, kami saat ini sedang membangun salah satu prototipe menggunakan sirkuit superkonduktif berdasarkan persimpangan Josephson,” kata Simone Gasparinetti, penulis senior tim yang saat ini bekerja untuk melakukan secara eksperimental jam kuantum. “Sirkuit ini mirip dengan yang digunakan untuk membangun komputer kuantum oleh perusahaan seperti IBM atau Google. Realisasi jam kuantum berdasarkan sirkuit ini memerlukan pendekatan yang berbeda, tetapi kami yakin bahwa demonstrasi bukti konsep keuntungan eksponensial yang ada dalam dokumen tersedia untuk teknologi kami.”

Saat menghubungkan waktu dan termodinamika dengan efek banyak badan (misalnya, transportasi eksitasi yang koheren), karya -karya para peneliti ini membuka berbagai kemungkinan untuk penggunaan efek kuantum di bidang termodinamika ke skala nano. Sebagai bagian dari studi masa depan mereka, mereka berharap dapat menunjukkan lebih banyak lagi keunggulan dari desain jam kuantum mereka di lingkungan eksperimental.

“Kami ingin mengeksplorasi implementasi eksperimental, serta penggunaan proses otonom presisi tinggi untuk kontrol temporal langsung perangkat kuantum, menghindari disipasi,” tambah Huber. “

Ditulis untuk Anda oleh penulis kami Ingrid Fadellidiedit oleh Stephanie Baumdan diverifikasi dan ditinjau oleh Robert Egan—Tikel ini adalah hasil dari pekerjaan manusia yang cermat. Kami mempercayai pembaca seperti Anda untuk menjaga jurnalisme ilmiah independen tetap hidup. Jika laporan ini peduli, pertimbangkan a sumbangan (terutama bulanan). Anda akan mendapatkan Tanpa iklan Hitung sebagai terima kasih.

© 2025 Science X Network