ساعت ها می توانند از به روز رسانی کوانتومی بهره مند شوند
خوشبختانه، ما به یک ساعت کوانتومی ایده آل نیاز نداریم – یک ساعت کوانتومی به اندازه کافی خوب می تواند به اندازه کافی خوب باشد. همانطور که کشیدن یک شکل گرد بر روی یک صفحه کاغذ می تواند یک دایره را تقریب کند، یک ساعت کوانتومی نیز می تواند یک ساعت ایده آل را تقریب کند. و سه نفر از همکاران من – جاناتان اوپنهایم، میشا وودز و رالف سیلوا – موفق به طراحی چنین ساعت کوانتومی شدند.
سوال این است که آیا می توانیم چنین ساعت کوانتومی بسازیم که این کار را انجام دهد؟ اعتبار: سهام با کیفیت / عکس سهام آلامی
مطلب زیر گزیده ای از خبرنامه ما در فضا-زمان گمشده است. هر ماه، صفحه کلید را به یک یا دو فیزیکدان می‌دهیم تا درباره ایده‌های جذاب گوشه‌ای از جهان به شما بگویند. در اینجا برای Lost in Space-Time ثبت نام کنید.
پائولی اشاره کرد که یک ساعت کوانتومی ایده آل دارای زمان “قابل مشاهده” است. قابل مشاهده نام فیزیکی یک ویژگی قابل اندازه گیری یک سیستم کوانتومی است. نمونه هایی از قابل مشاهده ها عبارتند از انرژی، موقعیت و تکانه. زمان قابل مشاهده یک ساعت کوانتومی ایده آل دارای مقدار مشخصی است. چگونه می تواند قابل مشاهده است نه ارزش مشخصی دارند؟ به هر حال، شما انرژی، موضع و حرکت مشخصی دارید. اما موقعیت کوانتومی و کمیت حرکت در یک رابطه عدم قطعیت نقش دارند. اگر یک ذره کوانتومی موقعیت کاملاً مشخصی داشته باشد، آن ذره تکانه مشخصی ندارد. در اصطلاح کوانتومی، ذره در برهم نهی تمام لحظه های ممکن است. اگر شما در حال اندازه گیری تکانه هستید، آشکارساز شما می تواند هر عدد مثبت، هر عدد منفی یا صفر را بخواند. مشابه موقعیت کاملاً تعریف شده ذره، زمان کاملاً تعریف شده یک ساعت کوانتومی ایده آل است. ساعت در یک پوشش چند برابری قرار نمی گیرد.
قبل از اینکه وارد آن شوم، باید توضیح دهم که یک ساعت کوانتومی مستقل با ساعت‌های به اصطلاح اتمی که می‌توانید در فروشگاه‌ها خریداری کنید، یکسان نیست. پدربزرگ و مادربزرگ من چنین “ساعت اتمی” را خریدند و آن را در آشپزخانه خود آویزان کردند، اما به طور دقیق تر به آن ها “ساعت کنترل شده رادیویی” می گفتند. هر روز، ساعت سیگنال‌های رادیویی را از یک پاسگاه کلرادو در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) دریافت می‌کرد و آن را با ساعت بسیار دقیقی که توسط NIST کار می‌کرد همگام‌سازی می‌کرد.
ساعت NIST یک ساعت اتمی واقعی بود – یک ساعت کوانتومی، اما کنترل کننده آن به طور کامل در قلمرو کوانتومی وجود نداشت. یک ساعت اتمی حاوی اتم هایی است که فقط می توانند مقادیر معینی انرژی را در بسته های مجزا جذب کنند – مانند کسی که می تواند یک بسته چیپس بخورد اما نصف بسته را نه. یک لیزر بر روی اتم ها می تابد و یک کنترل کننده خارجی تعداد اتم هایی را اندازه می گیرد که به اصطلاح بسته های پوسته لیزر را خورده اند. اگر تعداد زیادی اتم آنها را داشته باشند، نور لیزر متشکل از ذرات با مقدار مناسب انرژی است – مقداری که با تئوری کوانتومی قابل محاسبه است. نور علاوه بر اینکه از ذرات تشکیل شده است، خاصیت موجی نیز دارد و بنابراین به تعبیری بالا و پایین در نوسان است. زمان بین نوسانات کسری از ثانیه قابل محاسبه است که بر حسب انرژی قابل جذب اتم ها تعریف می شود. بنابراین ما یک ثانیه را در حالی که منتظر هستیم تا نور لیزر به تعداد معینی نوسان کند، اندازه گیری می کنیم. کنترل‌کننده‌ای که انرژی اتم‌ها را اندازه‌گیری می‌کند، کوانتومی نیست، بنابراین ساعت اتمی تنها ساعتی نیست که ما در عصر استیمپانک کوانتومی به آن نیاز خواهیم داشت.
اگر ساعت ایده آل بود، خواندن زمان یک ساعت کوانتومی در زمان بندی اختلال ایجاد نمی کرد. اما یک ساعت ناقص با استفاده از بین می‌رود و توانایی ما در تشخیص زمان‌ها را کاهش می‌دهد. مانند نگاه کردن به ساعت پدربزرگ با عینک های تار فزاینده: ساعت 6 صبح به 5:59 صبح و 6:01 صبح ادغام می شود، سپس به 5:58 صبح و 6:02 صبح می رسد. اختلالات همچنین توانایی ساعت برای شروع فرآیندها، مانند دروازه های منطقی در محاسبات، در زمان های دلخواه را مختل می کند.
کامپیوترهای کوانتومی را در نظر بگیرید. بخش اساسی انجام هر محاسباتی انجام برخی وظایف در زمان های خاص است. سیستم‌های کنترل کلاسیک خارجی زمان را برای رایانه‌های کوانتومی امروزی نگه می‌دارند، اما یک سیستم کنترلی که می‌تواند به طور کامل در قلمرو کوانتومی کار کند، فرصت‌های جدیدی را به وجود می‌آورد. با آزاد گذاشتن تخیل خود، می‌توانیم پهپادهای کوانتومی کوچکی را تصور کنیم که قادر به دستکاری یا انتقال مولکول‌ها هستند. چنین ماشین‌های مستقلی باید ساعت‌های خود را حمل کنند و این ساعت‌ها نیز باید کوانتومی باشند تا از از دست دادن شخصیت کوانتومی ماشین‌ها جلوگیری شود. به عنوان مثال، فناوری های کوانتومی از درهم تنیدگی سود می برند، همبستگی های قوی که ذرات کوانتومی را همگام می کند. هرچه یک پهپاد کوانتومی با دستگاه‌های معمولی تعامل بیشتری داشته باشد، درهم تنیدگی آن بیشتر از بین می‌رود.
علاوه بر این، ساعت کاملاً پایدار است. خواندن یک ساعت کوانتومی مانند خواندن یک ساعت کلاسیک نیست. استفاده از آن برای تعیین زمان باعث ایجاد یک پدیده کوانتومی ضد شهودی می شود: اختلال در اندازه گیری. شما می توانید یک ساعت روزانه را بدون تاثیر بر زمانی که سیگنال می دهد مشاهده کنید، درست مانند یک افسر پلیس که می تواند سرعت ماشین شما را بدون اینکه متوجه شوید ثبت کند (از این رو وجود بلیط های سرعت غیر مجاز). اما سیستم های کوانتومی پیچیده تر از سیستم های معمولی هستند. اگر یک سیستم کوانتومی را اندازه گیری کنید – یا به روش دیگری با آن تعامل کنید – آن را آشفته می کنید و حالت آن را تغییر می دهید. اگر انرژی سیستم را اندازه گیری کنید، احتمالا انرژی آن را تغییر خواهید داد.
تاکنون، این ویژگی‌ها به صورت تئوری باقی مانده‌اند، و دانشمندان در حال تلاش برای ساخت رایانه‌های کوانتومی کنترل‌شده خارجی هستند، چه رسد به رایانه‌های مستقل. اما کنترل آزمایش‌ها بر روی سیستم‌های کوانتومی در سه دهه گذشته به سرعت پیشرفت کرده است و هیچ نشانه‌ای از کاهش سرعت را نشان نمی‌دهد. آیا ساعت‌های مستقل به رایانه‌های کوانتومی و سایر ماشین‌ها اجازه می‌دهند که مستقل عمل کنند؟ چه با یک ساعت کوانتومی اندازه گیری شود یا یک ساعت روزمره، زمان مشخص خواهد کرد.
ساعت میشا، رالف و جاناتان چقدر می‌توانست در برابر چنین آشفتگی‌هایی مقاومت کند؟ خیلی بد نیست، شاید بتوان گفت، اگر همکاران من مستقر در بریتانیا را کانالی کنید. رشد ساعت را تصور کنید – ذرات را به آن اضافه کنید، اما نه آنقدر ذرات که ساعت ماهیت کوانتومی خود را از دست بدهد. هر چه ساعت بزرگتر باشد، انعطاف پذیری آن بیشتر است. و دادن اندک چیزهای زیادی به شما می دهد: با رشد ساعت، انعطاف پذیری آن به طور تصاعدی افزایش می یابد.
اما زمان و انرژی در یک رابطه عدم قطعیت مشابه موقعیت و حرکت مشارکت دارند. بنابراین یک سیستم کوانتومی با زمان کاملاً تعریف شده در برهم نهی همه انرژی های ممکن است. همچنین، روکش گسترش می یابد یکنواخت بیش از همه انرژی های ممکن: اگر انرژی ساعت را اندازه گیری کنید، احتمال شما برای به دست آوردن یک نتیجه ممکن برابر با احتمال شما برای گرفتن هر نتیجه ممکن دیگری خواهد بود.
انرژی منفی بی نهایت
درباره این موضوعات بیشتر بدانید:
منبع: https://www.newscientist.com/article/2330957-can-we-build-a-quantum-clock-that-is-entirely-quantum/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&utm_content=home
ساعت‌ها زندگی ما را تنظیم می‌کنند، زمان خواب و بیدار شدن ما را تعیین می‌کنند، اینکه آیا پروازمان را به خانه برمی‌گردانیم و چه کسی در وال استریت ثروتی به دست می‌آورد. و درست همانطور که ساعت ها بر ما حکومت می کنند، بر دستگاه های کوانتومی نیز حکومت می کنند.
نیکول یونگر هالپرن احتمالاً بهترین گروه تحقیقاتی جهان را رهبری می کند: آزمایشگاه کوانتوم استیمپانک. کار او بازنگری در ترمودینامیک در دوره کوانتومی است. فیزیک موتورهای بخار و ماشین آلات صنعتی حدود یک قرن قبل از متبلور شدن نظریه کوانتومی در دهه 1920 – و تقریباً دو قرن قبل از اینکه استارت‌آپ‌های فناوری شروع به استفاده از فیزیک کوانتومی برای ساختن رایانه‌ها و حسگرها کنند – مورد بررسی قرار گرفت، بنابراین او و تیمش فکر می‌کنند ترمودینامیک در حال حاضر است به دلیل بروز رسانی
پائولی از نظر ریاضی ثابت کرد که هیچ سیستم کوانتومی نمی تواند زمان قابل مشاهده داشته باشد. اگر سیستمی چنین می کرد، می توانست بی نهایت انرژی منفی داشته باشد. داشتن بی نهایت انرژی منفی در دنیای ما غیرممکن است. بنابراین، طبق مکانیک کوانتومی، جهان ما با قابل مشاهده‌های زمان – یا ساعت‌های کوانتومی ایده‌آل سازگار نیست.
