Αυτό είναι το βασικό ερώτημα στον τομέα της κβαντικής μετρολογίας. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το ατομικό ρολόι, που όπως αναλύει η Stephanie Baum, χρησιμοποιεί τις κβαντικές ιδιότητες των ατόμων για να μετράει τον χρόνο πολύ πιο ακριβώς απ’ ό,τι τα συμβατικά ρολόγια.
Ωστόσο, οι θεμελιώδεις νόμοι της κβαντικής φυσικής περιλαμβάνουν πάντοτε έναν βαθμό αβεβαιότητας. Πρέπει να αποδεχτούμε έναν βαθμό τυχαιότητας ή στατιστικού θορύβου. Αυτό οδηγεί σε θεμελιώδη όρια στην ακρίβεια που μπορεί να επιτευχθεί. Μέχρι πρόσφατα, φαινόταν να είναι ένας αμετάβλητος νόμος ότι ένα ρολόι με διπλάσια ακρίβεια απαιτεί τουλάχιστον διπλάσια ενέργεια.
Τώρα μια ομάδα ερευνητών από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης (TU Wien), το Chalmers University of Technology στη Σουηδία και το Πανεπιστήμιο της Μάλτας απέδειξε ότι ειδικά τεχνάσματα μπορούν να αυξήσουν εκθετικά την ακρίβεια. Το κρίσιμο σημείο είναι η χρήση δύο διαφορετικών χρονικών κλιμάκων-παρόμοια με το πώς ένα ρολόι έχει δείκτη δευτερολέπτων και δείκτη λεπτών.
Το άρθρο δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Physics.
Τι είναι ακριβώς ένα ρολόι;
«Αναλύσαμε θεωρητικά ποια ρολόγια θα μπορούσαν να είναι δυνατά», λέει ο καθηγητής Marcus Huber από το Ινστιτούτο Ατομικής Φυσικής στο TU Wien.
«Κάθε ρολόι χρειάζεται δύο συστατικά: πρώτον, μια μονάδα βάσης χρόνου, όπως το εκκρεμές σε ένα εκκρεμές ρολόι ή ακόμη και μια κβαντική ταλάντωση. Και δεύτερον, ένα μετρητή-οποιοδήποτε στοιχείο που μετράει πόσες χρονικές μονάδες έχουν περάσει».
Η μονάδα βάσης χρόνου μπορεί πάντα να επιστρέφει ακριβώς στην ίδια κατάσταση. Μετά από μία πλήρη ταλάντωση, το εκκρεμές ενός ρολογιού είναι στην ίδια θέση. Μετά από έναν αριθμό ταλαντώσεων, το άτομο του καισίου στο ατομικό ρολόι επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Ο μετρητής, όμως, πρέπει να αλλάζει-αλλιώς το ρολόι είναι άχρηστο.
«Αυτό σημαίνει ότι κάθε ρολόι πρέπει να συνδέεται με μια μη αναστρέψιμη διαδικασία», λέει ο Florian Meier από το TU Wien.
«Στη γλώσσα της θερμοδυναμικής, αυτό σημαίνει ότι κάθε ρολόι αυξάνει την εντροπία στο σύμπαν-αλλιώς δεν είναι ρολόι».
Το εκκρεμές ενός ρολογιού παράγει λίγη θερμότητα και αταξία στα μόρια του αέρα γύρω του και κάθε δέσμη λέιζερ που διαβάζει την κατάσταση ενός ατομικού ρολογιού παράγει θερμότητα, ακτινοβολία και επομένως εντροπία.
«Μπορούμε τώρα να εξετάσουμε πόση εντροπία πρέπει να παράγει ένα υποθετικό ρολόι υπερβολικά υψηλής ακρίβειας-και, αναλόγως, πόση ενέργεια θα χρειαστεί», λέει ο καθηγητής Huber. «Μέχρι τώρα, φαινόταν να υπάρχει μια γραμμική σχέση: αν θέλεις χίλιες φορές μεγαλύτερη ακρίβεια, πρέπει να παράγεις τουλάχιστον χίλιες φορές περισσότερη εντροπία και να καταναλώσεις χίλιες φορές περισσότερη ενέργεια».
Κβαντικός χρόνος και κλασικός χρόνος
Ωστόσο, η ερευνητική ομάδα στο TU Wien, μαζί με την Ακαδημία Επιστημών της Αυστρίας (ÖAW) στη Βιέννη και τις ομάδες από το Chalmers και τη Μάλτα, έδειξε ότι αυτός ο προφανής κανόνας μπορεί να παρακαμφθεί χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές χρονικές κλίμακες.
«Για παράδειγμα, μπορείς να χρησιμοποιήσεις σωματίδια που κινούνται από μια περιοχή σε μια άλλη για να μετρήσεις τον χρόνο, όπως οι κόκκοι άμμου που πέφτουν σε μια κλεψύδρα», λέει ο Meier. Μπορείς να συνδέσεις μια σειρά από τέτοιες συσκευές μέτρησης χρόνου στη σειρά και να μετράς πόσες έχουν ήδη περάσει-όπως ένας δείκτης ρολογιού που μετρά πόσους γύρους έχει κάνει ο άλλος.
«Με αυτόν τον τρόπο, μπορείς να αυξήσεις την ακρίβεια, αλλά όχι χωρίς να επενδύσεις περισσότερη ενέργεια», λέει ο καθηγητής Huber.
«Γιατί κάθε φορά που ένας δείκτης ρολογιού ολοκληρώνει μια πλήρη περιστροφή και ο άλλος δείκτης μετριέται σε νέα θέση-ή, αλλιώς, κάθε φορά που το περιβάλλον παρατηρεί ότι αυτός ο δείκτης έχει κινηθεί-η εντροπία αυξάνεται. Αυτή η διαδικασία μέτρησης είναι μη αναστρέψιμη».
Ωστόσο, η κβαντική φυσική επιτρέπει και μια άλλη μορφή μεταφοράς σωματιδίων: Τα σωματίδια μπορούν να διασχίσουν ολόκληρη τη δομή, δηλαδή όλο το καντράν του ρολογιού, χωρίς να μετρηθούν πουθενά. Με μια έννοια, το σωματίδιο είναι τότε παντού ταυτόχρονα· δεν έχει καθορισμένη θέση μέχρι να φτάσει στο τέλος-και μόνο τότε μετριέται, σε μια μη αναστρέψιμη διαδικασία που αυξάνει την εντροπία.
Όπως οι δείκτες των λεπτών και των δευτερολέπτων
«Έχουμε λοιπόν μια γρήγορη διαδικασία που δεν προκαλεί εντροπία-την κβαντική μεταφορά-και μια αργή διαδικασία, δηλαδή την άφιξη του σωματιδίου στο τέλος», εξηγεί ο Yuri Minoguchi από το TU Wien.
«Το κρίσιμο σημείο στη μέθοδό μας είναι ότι ο ένας δείκτης συμπεριφέρεται καθαρά με όρους κβαντικής φυσικής και μόνο ο άλλος, ο πιο αργός δείκτης, έχει εντροπιακό αποτέλεσμα».
Η ομάδα έδειξε τώρα ότι αυτή η στρατηγική επιτρέπει μια εκθετική αύξηση της ακρίβειας ανά μονάδα εντροπίας. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να επιτευχθεί πολύ υψηλότερη ακρίβεια από ό,τι θα πίστευαν οι προηγούμενες θεωρίες.
«Και το πιο σημαντικό, η θεωρία μπορεί να δοκιμαστεί στον πραγματικό κόσμο χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα κυκλώματα, μια από τις πιο προηγμένες κβαντικές τεχνολογίες σήμερα», λέει ο Simone Gasparinetti, συγγραφέας της μελέτης και επικεφαλής της πειραματικής ομάδας στο Chalmers.
«Αυτό είναι ένα σημαντικό αποτέλεσμα για την έρευνα πάνω σε υψηλής ακρίβειας κβαντικές μετρήσεις και την καταστολή ανεπιθύμητων διακυμάνσεων», λέει ο καθηγητής Huber, «και ταυτόχρονα μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα ένα από τα μεγάλα άλυτα μυστήρια της φυσικής: τη σύνδεση μεταξύ κβαντικής φυσικής και θερμοδυναμικής».
Περισσότερες πληροφορίες: Florian Meier et al, Η ακρίβεια δεν περιορίζεται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02929-2
Πληροφορίες περιοδικού: Φυσική Φυσικής
Παρέχεται από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης
