اكتشف العلماء تكلفة الطاقة الخفية في ضبط الوقت الكمومي

وجد الباحثون أن قياس الساعة الكمومية يستهلك طاقة أكبر بكثير من عملية الساعة نفسها، بما يصل إلى مليار مرة أكثر.

ومن خلال تتبع قفزات الإلكترون المفرد، اكتشفوا أن تحويل الأحداث الكمومية إلى بيانات كلاسيكية يحرك معظم الإنتروبيا. وهذا يجعل القياس، وليس التكتكة، هو التكلفة الديناميكية الحرارية الحقيقية لضبط الوقت الكمي.

استنزاف الطاقة الخفية في ضبط الوقت الكمي

فريق من جامعة أكسفورد لقد كشفت عن مساهم غير متوقع في الإنتروبيا في ضبط الوقت الكمي: عملية القياس نفسها. في النتائج المنشورة اليوم (14 نوفمبر) في رسائل المراجعة البدنيةأظهر الباحثون أن الطاقة اللازمة لقراءة الساعة الكمومية أكبر بكثير من الطاقة اللازمة لتشغيلها. يمكن لهذه النتيجة أن تشكل كيفية تصميم التقنيات الكمومية المستقبلية.

الساعات التقليدية، من البندول المتأرجح إلى المذبذبات الذرية، تعتمد على عمليات لا رجعة فيها لتتبع الوقت. على المستوى الكمي، تصبح هذه العمليات ضعيفة للغاية أو قد لا تحدث على الإطلاق، مما يجعل ضبط الوقت الدقيق أكثر صعوبة. ستحتاج الأجهزة التي تعتمد على التوقيت الدقيق، مثل أجهزة الاستشعار وأنظمة الملاحة من الجيل التالي، إلى ساعات تستهلك أقل قدر ممكن من الطاقة. لكن حتى الآن، لم يفهم العلماء بشكل كامل السلوك الديناميكي الحراري للساعات التي تعمل في عالم الكم.

التحقق من التكلفة الحقيقية لقياس الوقت

شرع الباحثون في تحديد التكلفة الديناميكية الحرارية الفعلية للحفاظ على الوقت على المقياس الكمي، إلى جانب مقدار هذه التكلفة التي تنشأ من عملية القياس نفسها.

تضمنت تجربتهم بناء ساعة صغيرة تستخدم إلكترونًا واحدًا يتحرك بين اثنين مقياس النانو المناطق (المعروفة باسم النقطة الكمومية المزدوجة). كل قفزة بمثابة علامة الساعة. لمراقبة هذه القراد، اعتمد الفريق على طريقتين مختلفتين للكشف؛ أحدهما يلتقط تيارات كهربائية صغيرة جدًا، والآخر يستخدم موجات الراديو للكشف عن التغيرات في النظام. في كل نهج، قامت أجهزة الاستشعار بترجمة النشاط الكمي (قفزات الإلكترون) إلى معلومات كلاسيكية يمكن تسجيلها، مما أدى إلى إنشاء انتقال كمي إلى كلاسيكي.

مفاجأة مليار مرة في قياس الإنتروبيا

قام الفريق بحساب مقدار الإنتروبيا (كمية الطاقة المتبددة) التي تم إنتاجها بواسطة آلية الساعة نفسها (أي النقطة الكمومية المزدوجة) وأجهزة القياس. لقد اكتشفوا أن قراءة الساعة (أي تحويل إشاراتها الصغيرة إلى شيء قابل للقياس) يمكن أن تتطلب طاقة أكبر بما يصل إلى مليار مرة مما تستهلكه الساعة أثناء التشغيل. تدحض هذه النتيجة الافتراض القديم بأن تكاليف القياس في فيزياء الكم لا تذكر. كما يكشف عن فكرة مذهلة: الملاحظة هي التي تعطي الوقت اتجاهه من خلال جعل العملية لا رجعة فيها.

تتحدى هذه النتيجة الاعتقاد السائد بأن تحسين الساعات الكمومية يتطلب أنظمة كمومية أفضل. وبدلا من ذلك، يرى الباحثون أن التقدم سيعتمد على تطوير طرق أكثر كفاءة للكشف عن القراد وتفسيره.

مفارقة تعمل على تحسين الدقة

قالت المؤلفة الرئيسية البروفيسور ناتاليا آريس (قسم العلوم الهندسية، جامعة أكسفورد): “كان من المتوقع أن تعمل الساعات الكمومية على أصغر المقاييس على خفض تكلفة الطاقة المستخدمة في ضبط الوقت، لكن تجربتنا الجديدة تكشف عن تطور مفاجئ. بدلاً من ذلك، في الساعات الكمومية، تتجاوز الدقات الكمومية بكثير تلك الموجودة في آلية الساعة نفسها.”

ومع ذلك، وفقا للباحثين، فإن هذا الخلل يمكن أن يكون ميزة، وليس عيبا. يمكن لطاقة القياس الإضافية أن توفر مزيدًا من المعلومات حول سلوك الساعة: ليس فقط عدد العلامات، بل سجلًا تفصيليًا لكل تغيير صغير. وهذا يفتح طرقًا جديدة لتحقيق ساعات عالية الدقة بشكل أكثر كفاءة.

قال المؤلف المشارك فيفيك واديا (طالب دكتوراه، قسم العلوم الهندسية): “تشير نتائجنا إلى أن الإنتروبيا الناتجة عن تضخيم وقياس دقات الساعة، والتي غالبًا ما تم تجاهلها في الأدبيات، هي أهم تكلفة ديناميكية حرارية أساسية لحفظ الوقت على المستوى الكمي. والخطوة التالية هي فهم المبادئ التي تحكم الكفاءة في الأجهزة النانوية حتى نتمكن من تصميم أجهزة مستقلة تحسب الوقت وتحتفظ به بكفاءة أكبر، كما تفعل الطبيعة“.

لماذا يتحرك الزمن للأمام: الدور العميق للقياس

قال المؤلف المشارك فلوريان ماير (طالب دكتوراه، الجامعة التقنية في فيينا): “بعيدًا عن الساعات الكمومية، يتطرق البحث إلى أسئلة عميقة في الفيزياء، بما في ذلك لماذا يتدفق الوقت في اتجاه واحد. ومن خلال إظهار أن عملية القياس – وليس فقط الدقات نفسها – هي التي تعطي الوقت اتجاهه للأمام، فإن هذه النتائج الجديدة ترسم علاقة قوية بين فيزياء الطاقة وعلم المعلومات”.

المرجع: “التكاليف الانتروبية للانتقال من الكم إلى الكلاسيكية في ساعة مجهرية” 14 نوفمبر 2025، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/5rtj-djfk

وشملت الدراسة أيضًا باحثين من جامعة TU Wien وكلية ترينيتي في دبلن.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.