كسر حدود الديناميكا الحرارية: مستقبل قياس الوقت

تكشف دراسة جديدة أن دقة التأثيرات الكمومية¹ أفضل مما كان متوقعًا. تأتي هذه الدراسة في الوقت الذي يستخدم فيه الباحثون من TU Wien والمتعاونون قياسًا كميًا للساعة الذرية.

تستخدم الساعة الذرية الخصائص الكمومية للذرات لقياس الوقت بدقة أعلى بكثير من الساعات التقليدية. تُعرف هذه الساعات الأكثر دقة في العالم بدقتها غير المسبوقة من خلال استخدام الليزر لقياس اهتزازات الذرات التي تتذبذب بتردد ثابت.

ولكن عندما يتعلق الأمر بالقوانين الأساسية للفيزياء الكمومية، هناك دائمًا بعض عدم اليقين، لذا من المتوقع وجود قدر معين من الضوضاء الإحصائية التي يجب قبولها. هذه الضوضاء أو العشوائية تضع حدًا للدقة المحققة.

لذلك، يمكن أن تكون الساعات الذرية أكثر دقة، وإذا تمكنت من قياس اهتزازات الذرات بدقة أكبر، فستكون حساسة بما يكفي لتحديد ظواهر مثل المادة المظلمة ومساعدة في الإجابة على أسئلة مثل ما هو تأثير الجاذبية على مرور الزمن.

ومن المثير للاهتمام أن الاعتقاد السائد هو أنه لجعل الساعة الذرية أكثر دقة، تحتاج إلى طاقة أكبر لتحقيق تلك الدقة.

في عام 2021، أبلغ تجربة² عن وجود حد لدقة الساعات حيث تفرض الطبيعة تكلفة طاقة أساسية للحفاظ على الوقت. وفقًا للبحث، تستهلك الساعات التي تقيس الوقت بدقة أكبر طاقة أكثر من نظيراتها الأقل دقة.

مع مبدأ أساسي في الديناميكا الحرارية وهو أن الطاقة دائمًا تتدفق من الأجسام الساخنة إلى الباردة، فإن عكس هذا التدفق (كما في الثلاجة) يعني أننا نحتاج إلى دفع ثمن ذلك في مكان آخر.

لذلك، يبدو أن الساعة التي تتطلب طاقة مضاعفة لتصبح دقتها مضاعفة هي قانون ثابت، حتى الآن.

أظهر فريق من العلماء من TU Wien وجامعة مالطا وجامعة تشالمرز للتكنولوجيا أنه باستخدام حيل خاصة، يمكننا زيادة الدقة بصورة أسية.

النقطة الأساسية هنا هي استخدام مقياسين زمنيين مختلفين، مثلما تحتوي الساعة العادية على عقرب دقيقة وعقرب ثانية.

كيف تعيد الفيزياء الكمومية تعريف تكلفة الإنتروبيا للزمن

الأجهزة الفيزيائية التي تعمل خارج التوازن تتأثر بالتقلبات الحرارية (الانحرافات العشوائية للنظام عن حالته المتوسطة)، مما يحد من دقة عملها. وتظهر هذه المشكلة بصورة أوضح على المقاييس الصغيرة والكمومية، حيث نحتاج إلى تبديد الإنتروبيا للتقليل منها.

في حالة الساعات، يلزم تدفق حراري نحو التوازن لقياس الوقت، مما ينتج عنه الحد الأدنى من تبديد الإنتروبيا لكل نبضة.

على الرغم من أن النماذج الكلاسيكية والنماذج الكمومية تميل إلى إظهار علاقة خطية بين الدقة والتبديد، إلا أن العلاقة لا تزال غير واضحة تمامًا.

في السعي للحصول على أكثر الساعات الذرية دقة، والتي قد تنتقل إلى الطاقة النووية في المستقبل، لا تُعد هذه التكاليف أهم القضايا، ولكن بالنسبة للتحكم الكمومي الصغير المستقل، فإن العلاقة الدقيقة بين التبديد والدقة قد تكون مسألة عملية.

مع وضع ذلك في الاعتبار، قدم الباحثون الآن نموذج ساعة كمومية ذاتية تحقق دقة تتزايد أسيًا مع تبديد الإنتروبيا.

تم تمكين هذا الإنجاز بفضل النقل المتماسك في سلسلة دوران مع وصلات مخصصة، حيث يقتصر تبديد الإنتروبيا على وصلة واحدة، وفقًا للدراسة. تُظهر النتائج أن الديناميكيات الكمومية المتماسكة يمكن أن تتجاوز حدود الدقة في الديناميكا الحرارية التقليدية، مما قد يساعد في تطوير أجهزة كمومية مستقبلية منخفضة التبديد وعالية الدقة.

“لقد حللنا من حيث المبدأ، أي الساعات قد تكون ممكنة نظريًا.”

– الأستاذ ماركوس هوبر من معهد الذرات في TU Wien

شرح أن هناك مكونين يحتاجهما أي ساعة. الأول هو مولد زمني، مثل تذبذب كمومي أو بندول. الثاني هو عداد، وهو عنصر يحسب وحدات الزمن التي مرت وفقًا للمولد الزمني.

المولد الزمني يعود دائمًا إلى الحالة نفسها بالضبط، أو يكون البندول في الموضع نفسه قبل إكمال تذبذب واحد.

في الوقت نفسه، في الساعة الذرية، يعود ذرة السيزيوم إلى الحالة نفسها تمامًا بعد عدد معين من التذبذبات. ومع ذلك، يجب أن يتغير العداد لكي تكون الساعة مفيدة.

“هذا يعني أن كل ساعة يجب أن تكون مرتبطة بعملية لا عكسية. بلغة الديناميكا الحرارية، هذا يعني أن كل ساعة تزيد الإنتروبيا في الكون؛ وإلا فهي ليست ساعة.”

– فلوريان ماير من TU Wien

في ساعة البندول، يولد البندول بعض الحرارة والاضطراب بين جزيئات الهواء المحيطة به. وفي حالة الساعة الذرية، كل شعاع ليزر يقرأ حالة الساعة يولد حرارة وإشعاع وبالتالي إنتروبيا. وفقًا لماركوس هوبر:

“يمكننا الآن أن نفكر في كمية الإنتروبيا التي يجب أن تولدها ساعة افتراضية ذات دقة عالية جدًا – وبالتالي كمية الطاقة التي تحتاجها هذه الساعة. حتى الآن، بدا أن هناك علاقة خطية: إذا أردت دقة ألف مرة، يجب أن تولد على الأقل ألف مرة إنتروبيا وتستهلك ألف مرة طاقة.”

لكن الفريق من TU Wien، بالتعاون مع باحثين من جامعة مالطا وجامعة تشالمرز للتكنولوجيا والأكاديمية النمساوية للعلوم (ÖAW) أظهر الآن أن هذه القاعدة المزعومة يمكن التحايل عليها باستخدام مقياسين زمنيين مختلفين.

على سبيل المثال، كما شارك ماير، يمكن استخدام الجسيمات التي تنتقل من منطقة إلى أخرى لقياس الوقت، مثلما تفعل حبات الرمل عندما تسقط من أعلى الزجاج إلى الأسفل.

يمكن ربط سلسلة من هذه الأجهزة القادرة على قياس الوقت على التوالي، ثم يمكنك عد عددها التي مرت بالفعل. سيكون ذلك مشابهًا لكيفية عد العقرب الأكبر لعدد الدورات التي أكملها العقرب الأصغر.

“بهذه الطريقة، يمكنك زيادة الدقة، ولكن ليس دون استثمار طاقة أكثر”، قال ماركوس هوبر. “لأن كل مرة يكمل فيها عقرب الساعة دورة كاملة ويُقاس العقرب الآخر في موقع جديد – يمكنك أيضًا القول كل مرة يلاحظ فيها البيئة حوله أن هذا العقرب انتقل إلى موقع جديد – تزداد الإنتروبيا. عملية العد هذه لا عكسية.”

نوع آخر من نقل الجسيمات المسموح به بفضل الفيزياء الكمومية هو الانتقال عبر الهيكل بأكمله. هنا، تسافر الجسيمات عبر قرص الساعة دون أن تُقاس.

خلال هذه العملية، يكون الجسيم، بطريقة ما، في كل مكان دون موقع محدد بوضوح حتى يصل في النهاية. عندها يُقاس الجسيم، في عملية لا عكسية وتزيد الإنتروبيا.

لذلك، لدى الفريق عمليتان: عملية سريعة لا تنتج إنتروبيا أو نقل كمومي، والأخرى حيث تصل الجسيمات في النهاية.

“الأمر الحاسم في طريقتنا هو أن أحد العقارب يتصرف بحتًا وفقًا للفيزياء الكمومية، بينما العقرب الآخر الأبطأ هو الذي يولد إنتروبيا فعليًا.”

– يوري مينوغوتشي من TU Wien

أظهر الفريق أن الاستراتيجية تسمح بزيادة ملحوظة في الدقة مع كل زيادة في الإنتروبيا، وبالتالي يمكن تحقيق دقة أعلى مما كان يُعتقد ممكنًا سابقًا.

“والأكثر من ذلك، يمكن اختبار النظرية في العالم الحقيقي باستخدام دوائر فائقة التوصيل، واحدة من أكثر تقنيات الكم تقدمًا المتاحة حاليًا.”

– المؤلف المشارك للدراسة سيموني غاسبارينتي، قائد الفريق التجريبي في تشالمرز

وصف هوبر هذا بأنه نتيجة حاسمة لأبحاث القياسات الكمومية الدقيقة للغاية وكذلك كبح التذبذبات غير المرغوب فيها. علاوة على ذلك، أشار هوبر إلى أن البحث “يساعدنا على فهم أفضل لأحد أسرار الفيزياء الكبرى: العلاقة بين الفيزياء الكمومية والديناميكا الحرارية.”
انقر هنا لتعرف كيف يساهم الثوريوم في تشغيل الساعات النووية فائقة الدقة.

التأثير المستقبلي لقياس الوقت الكمومي على البشرية

أحد أغلى الموارد بالنسبة لنا كبشر هو الوقت، الذي هو محدود ولا يمكن عكسه. الوقت أساسي لوجودنا وتقدمنا.

لتتبع وقتنا، طور الناس تقاويم، ومع تعقُّد المجتمعات وتطورها التكنولوجي، أصبح من المهم أكثر الحصول على قياس دقيق للوقت.

ما يحتاجه قياس الوقت هو شيء يتذبذب بإيقاع ثابت وشيء آخر يحسب تلك النبضات ويعرض الوقت.

أدى ذلك إلى تطوير الساعات، التي أصبحت أكثر تعقيدًا مع مرور الوقت بفضل البندولات ومذبذرات الكوارتز.

من الساعات اليدوية إلى الساعات المستخدمة على الأقمار الصناعية، لا تزال معظم الساعات الحديثة تقيس الوقت باستخدام مذبذب بلورة الكوارتز. عندما يُطبق جهد على المذبذب، يهتز بتردد دقيق، يعمل كالبندول في ساعة البندول، ويعدّ الوقت المنقضي.

لكن المشكلة كانت أن لا ساعتين متطابقتين. ومع تزايد تكامل العالم، كان هناك حاجة إلى طريقة ثابتة ودقيقة لقياس الوقت. كانت الساعة الذرية حلاً طبيعيًا.

بدأ حلم الساعة الذرية في الواقع قبل أكثر من قرن عندما اقترح العلماء جيمس ماكسويل وويليام طومسون الفكرة.

الذرات هي اللبنات الأساسية لكل المادة. في قلب الذرات يكمن النواة، التي تتكون من البروتونات والنيوترونات، محاطة بالإلكترونات التي قد تختلف في العدد. تُرتب الإلكترونات في مستويات طاقة متميزة، وتدور في مدارات دائرية حول النواة.

مع امتصاص الذرات وإصدارها لأمواج ضوئية ذات ترددات محددة، استنتج العلماء أن ذرات عنصر معين متطابقة ولا تتغير، لذا لا ينبغي أن تتغير ترددات الضوء التي تمتصها وتصدرها.

بينما ظهرت الفكرة لأول مرة في أواخر القرن التاسع عشر، لم يتم تطوير ساعة ذرية فعليًا إلا بعد فترة طويلة.

كما يحدث، غالبًا ما تكون الحروب محفزًا قويًا للتقدم العلمي والتكنولوجي. فقد أدت الحروب إلى اختراعات مثل الميكروويف، ونظام تحديد المواقع (GPS)، وأجهزة الكمبيوتر، وغيرها، التي لها تأثيرات عميقة على حياتنا اليومية اليوم.

ظهرت الساعة الذرية في ذلك الوقت أيضًا. في عام 1939، اقترح الفيزيائي إيسيدور رابي أن يستخدم العلماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) (المكتب الوطني للمعايير (NBS) آنذاك) تقنية الرنين المغناطيسي للنبض الجزيئي التي وفرت قياسات دقيقة للزخم المغناطيسي النووي كمعيار للوقت.

ثم قاس التردد الذي تمتص وتصدر به ذرات السيزيوم الموجات الدقيقة طبيعيًا، والذي كان حوالي 9.1914 مليار دورة في الثانية، وتحدث عن ذلك بعد سنوات، ووصفته صحيفة نيويورك تايمز بأنه “بندول كوني” يضبط “ترددات راديوية في قلوب الذرات.”

تم عرض ساعة تعتمد على الأمونيا في عام 1949، لكنها في النهاية لم تثبت أنها أكثر دقة من الساعات القائمة.

مع مرور الوقت، أدت الابتكارات التقنية الجديدة مثل الضخ البصري؛ الذي أنشأ إشارات رنين مغناطيسي وامتصاص ميكروويف أقوى بكثير، وتداخل رامزي؛ الذي استخدم في مطيافية حزمة الجزيئات، إلى تقدم في المجال وحفز مجموعات علمية أخرى لدراسة نفس الموضوع.

بحلول عام 1975، كانت الساعة الذرية من NIST دقيقة بما يكفي بحيث لا تكسب ولا تخسر ثانية واحدة خلال 400,000 سنة، وفي عام 1993، أصبحت ساعتهم الذرية أكثر دقة، حيث لا تكسب ولا تخسر ثانية واحدة خلال 6 ملايين سنة.

في عام 2019، طورت ناسا ساعة الفضاء العميق الذرية للمساعدة في جعل توجيه المركبات الفضائية إلى مواقع بعيدة مثل الكواكب الأخرى أكثر استقلالية. ستكون هذه الساعة أقل من نانوثانية خطأً بعد أربعة أيام وأقل من ميكروثانية بعد عقد من الزمن، وهو ما يعادل خطأ ثانية واحدة فقط كل 10 ملايين سنة.

كانت ساعة ناسا الذرية أكثر استقرارًا بحوالي 50 مرة من نظيراتها على أقمار GPS، وقد تم تحقيق ذلك بمساعدة ذرات الزئبق.

قال إريك بيرت، فيزيائي الساعات الذرية في مختبر الدفع النفاث (JPL) آنذاك: “القيمة “الدقيقة والمستقرة” لاختلاف الطاقة بين المدارات “هي بالفعل العنصر الأساسي للساعات الذرية”. “إنها السبب في قدرة الساعات الذرية على تحقيق مستوى أداء يتجاوز الساعات الميكانيكية.”

نوع القياس الدقيق للوقت الذي تنتجه الساعات الذرية ليس ضروريًا للحياة اليومية، لكنه يحمل تداعيات عميقة في العديد من الصناعات الأخرى. فقد أدت الساعات الذرية بالفعل إلى تقدم في الميتروولوجيا، والاتصالات، وأنظمة الملاحة المتقدمة، وتحديد المواقع عبر الأقمار الصناعية.

الآن، يهدف المعرفة المكتسبة من خلال أحدث الأبحاث إلى تحفيز المزيد من التقدم. من المتوقع أن تكون مفيدة للغاية عبر القطاعات، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي (AI)، والروبوتات، وغيرها من المجالات الناشئة.

على سبيل المثال، من خلال تشغيل كواشف الموجات الجاذبية المتقدمة وأقمار مراقبة المناخ، يمكن للساعات الكمومية تعزيز اكتشاف إشارات نظام الأرض الدقيقة. كما توفر مراجع زمنية أكثر دقة يمكن أن تمكّن من مستويات جديدة من القياس لارتفاع مستوى سطح البحر، والتحولات التكتونية، ورسم الخرائط تحت الأرض.

في عالم الذكاء الاصطناعي، في الوقت نفسه، يمكن للنماذج التي تجمع البيانات مع المستشعرات الموزعة للمصانع الذكية، والزراعة الدقيقة، أو التداول المالي الاستفادة من الساعات الذرية الدقيقة. كما يمكن أن يساعد ذلك في أجهزة الذكاء الاصطناعي المعززة بالكم، حيث يمكن لقياس الوقت الكمومي تثبيت المعالجات الكمومية المعرضة للأخطاء المستخدمة في التعلم الآلي. فبعد كل شيء، يعتمد التحكم الموثوق في الكيوبت على توقيت دقيق وتماسك طور.

من المركبات الذاتية إلى الطائرات بدون طيار والروبوتات، كلها تعتمد على نظام تحديد المواقع (GPS) والساعات المحلية. لذا، يمكن للساعات الكمومية ذات الدقة العالية تمكين الملاحة في بيئات “بدون GPS”. كما يمكن أن تساعد أسراب الروبوتات على التنسيق بشكل أفضل للمهام المعقدة مثل رسم الخرائط الموزعة والإنقاذ.

الاتصالات هي مجال آخر يمكن أن يستفيد كثيرًا من هذه الساعات من حيث النطاق والاستقرار. ستستفيد الشبكات اللاسلكية والضوئية المستقبلية أيضًا لأنها تتطلب توقيتًا فائق الدقة للحوسبة الطرفية منخفضة الكمون وانتقالات الأجهزة.

الاستثمار في صناعة القياس المتقدمة

Honeywell International (HON ) هي رائدة في أنظمة القياس المتقدمة، بما في ذلك أجهزة توقيت دقيقة للغاية، وتقنيات الساعات الذرية للفضاء والدفاع، وحتى الحوسبة الكمومية عبر Quantinuum، التي تشكلت من دمج Cambridge Quantum وHoneywell. 

تعمل الشركة أساسًا من خلال:

تقنيات الفضاء الجوي

• توفر منتجات وبرمجيات وخدمات للطائرات.
• تخدم مصنعي المعدات، النقل الجوي، وقطاعات الطيران.

الأتمتة الصناعية

• توفر حلول أتمتة للعمليات الذكية والمستدامة والآمنة.
• تستهدف صناعات مثل البتروكيماويات وعلوم الحياة.

أتمتة المباني

• توفر حلولًا لضمان مرافق آمنة ومستدامة.

حلول الطاقة والاستدامة

• تقدم قدرات ترخيص مدمجة مع علم المواد والكيمياء.

Honeywell International (HON )

تبلغ القيمة السوقية لـ Honeywell 154.5 مليار دولار، وتداول أسهمها حاليًا عند مستويات جديدة عند 241 دولارًا، بارتفاع 6.4% منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 8.70 ومضاعف السعر إلى الربح (P/E) (TTM) 27.62، بينما عائد السهم الموزع هو 1.88%.