يمكن أن تكون تكاليف الطاقة لقراءة الساعات الكمومية أكثر بمليارات الدولارات مما تحتاجه لإبقائها قيد التشغيل.

أي ساعة، سواء كانت بندولًا أو ذرية، تعتمد على عمليات لا رجعة فيها للحفاظ على الوقت. على المستوى الكمي، حيث تكون مثل هذه العمليات ضعيفة أو شبه غائبة، يصبح قياس الوقت مهمة أكثر صعوبة بكثير.

بالنسبة للأجهزة الكمومية المستقبلية التي تعتمد على حفظ الوقت بدقة، مثل أجهزة الاستشعار وأنظمة الملاحة، فإن كفاءة الطاقة في ساعاتها الداخلية أمر بالغ الأهمية. ومع ذلك، حتى الآن، ظلت الديناميكا الحرارية للساعات الكمومية لغزا.

استهلاك الطاقة لقياس الساعات الكمومية

في دراسة جديدة، تساءل العلماء: ما هي التكلفة الديناميكية الحرارية الحقيقية لقياس الوقت على المستوى الكمي، وما مقدارها الذي يرتبط بشكل مباشر بعملية القياس؟

وللقيام بذلك، قاموا ببناء ساعة مجهرية تلعب فيها الإلكترونات الفردية التي تقفز بين منطقتين على مقياس النانو (ما يسمى بالنقطة الكمومية المزدوجة) دور “دقات” الساعة.

تم استخدام طريقتين لتسجيل كل علامة: إحداهما تقيس التيارات الكهربائية الصغيرة، والأخرى تستخدم موجات الراديو لمراقبة التغيرات في النظام. وفي كلتا الحالتين، قامت أجهزة الاستشعار بتحويل الإشارات الكمومية (قفز الإلكترون) إلى بيانات كلاسيكية يمكن تسجيلها – وهذا ما يسمى التحول الكمي الكلاسيكي.

لقد قام العلماء بحساب الإنتروبيا (كمية الطاقة المتبددة) التي تنتجها كل من “آلية” الساعة الكمومية نفسها (النقطة الكمومية المزدوجة) ومعدات القياس. ونشرت النتائج في رسائل المراجعة البدنية.

وأظهرت الحسابات ذلك الطاقة اللازمة لقراءة الساعة الكمومية (أي لتحويل إشاراتهم الضعيفة إلى شيء يمكننا اكتشافه)، يمكن أن تكون أكبر بمليار مرة من الطاقة التي تستهلكها الساعة نفسها.

وهذا يدحض الافتراض القائل بأن تكلفة القياس في فيزياء الكم يمكن تجاهلها، ويشير أيضًا إلى نتيجة مفاجئة: إن فعل الملاحظة هو الذي يعطي الاتجاه للوقت، مما يجعله غير قابل للرجوع.

وهذا يقلب الاعتقاد السائد بأن الساعات الأكثر كفاءة تتطلب أنظمة كمومية أفضل. وبدلا من ذلك، يجب أن تركز الأبحاث على طرق أكثر ذكاء وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة لقياس القراد.

الآثار المترتبة على الأجهزة الكمومية المستقبلية

أوضحت البروفيسور ناتاليا آريس من كلية العلوم الهندسية بجامعة أكسفورد، المؤلفة الرئيسية لهذا العمل: “كان من المتوقع أن تعمل الساعات الكمومية التي تعمل بمقاييس دقيقة على تقليل تكاليف الطاقة لقياس الوقت، لكن تجربتنا تظهر تطورًا غير متوقع. فقد اتضح أنه في الساعات الكمومية، فإن تكلفة قراءة العلامات تتجاوز بكثير تكلفة تشغيل آليتها”.

ومع ذلك، يعتبر الباحثون أن هذا الخلل ليس عيبا، بل هو ميزة. يمكن للطاقة الإضافية التي يتم إنفاقها في القياس أن توفر المزيد من المعلومات حول سلوك الساعة: ليس فقط حساب علامات التجزئة، ولكن أيضًا تسجيل كل تغيير صغير بالتفصيل. وهذا يفتح طرقًا جديدة لإنشاء ساعات عالية الدقة بكفاءة أكبر.

“تشير نتائجنا إلى أن الإنتروبيا الناتجة عن تضخيم وقياس دقات الساعة، والتي غالبًا ما تم إهمالها في الأدبيات العلمية، هي التكلفة الديناميكية الحرارية الأكثر أهمية والأساسية لقياس الوقت على المستوى الكمي”، قال طالب الدكتوراه في جامعة أكسفورد، فيفيك واديا، المؤلف المشارك للدراسة. “الخطوة التالية هي فهم المبادئ التي تحدد كفاءة الأجهزة النانوية، حتى نتمكن من إنشاء أجهزة مستقلة يمكنها، مثل الأنظمة الطبيعية، إجراء العمليات الحسابية وقياس الوقت بكفاءة أكبر.”

وأضاف المؤلف المشارك فلوريان ماير من جامعة فيينا التقنية: “بعيدًا عن الساعات الكمومية، يتناول هذا البحث أسئلة أساسية في الفيزياء، بما في ذلك لماذا يكون الوقت أحادي الاتجاه. ومن خلال إظهار أن عملية القياس – وليس مجرد التكتكة على هذا النحو – هي التي تعطي الوقت اتجاهه الأمامي، فإن هذه النتائج الجديدة تؤسس علاقة عميقة بين فيزياء الطاقة وعلم المعلومات”.