Pagbasag sa mga Limitasyon ng Thermodynamics: Ang Hinaharap ng Pagtatala ng Oras

Isang bagong pag-aaral ang nagbubunyag na ang katumpakan ng mga quantum effect¹ ay mas maganda kaysa inaasahan. Ang pag-aaral na ito ay dumarating habang ang mga mananaliksik mula sa TU Wien at mga kasamahan ay gumagamit ng quantum metrology para sa atomic clock.

Ang atomic clock ay gumagamit ng mga quantum property ng mga atom upang sukatin ang oras nang mas tumpak kaysa sa mga karaniwang orasan. Ang mga pinaka-tumpak na tagapagsukat ng oras sa mundo ay kilala sa kanilang walang kapantay na katumpakan sa pamamagitan ng paggamit ng mga laser upang sukatin ang pag-oscillate ng mga atom, na nag-ooscillate sa isang constant na frequency.

Ngunit pagdating sa mga pundamental na batas ng quantum physics, laging may ilang kawalan ng tiyak, kaya’t inaasahan ang ilang estadistikal na ingay at kailangang tanggapin ito. Ang ingay o randomness na ito ay naglalagay ng limitasyon sa naabot na katumpakan.

Kaya, maaaring maging mas tumpak pa ang mga atomic clock, at kung mas tumpak nilang masukat ang pag-oscillate ng mga atom, magiging sensitibo sila upang matukoy ang mga phenomena tulad ng dark matter at makatulong sagutin ang mga tanong tulad ng kung anong epekto ng gravity sa pagdaloy ng oras.

Kagiliw-liwan, pinaniniwalaan na para sa isang atomic clock na maging mas tumpak, kailangan nito ng mas maraming enerhiya upang makamit ang precision na iyon.

Noong 2021, isang experiment² ang nag-ulat ng limitasyon sa katumpakan ng mga orasan kung saan ang kalikasan ay nagtatakda ng isang pundamental na gastusin sa enerhiya para sa pagpapanatili ng oras. Ayon sa pananaliksik, ang mga orasan na mas tumpak sa pagsukat ng oras ay kumokonsumo ng mas maraming enerhiya kaysa sa kanilang hindi gaanong tumpak na katapat.

Sa isang pangunahing prinsipyo ng thermodynamics na ang enerhiya ay palaging dumadaloy mula sa mainit na mga bagay patungo sa malamig, ang pagbaliktad ng daloy na ito (tulad ng sa refrigerator) ay nangangahulugang kailangan nating magbayad para dito sa ibang paraan.

Kaya, ang isang orasan na nangangailangan ng hindi bababa sa dalawang beses na enerhiya upang maging dalawang beses na tumpak ay tila isang hindi nababago na batas, hanggang ngayon.

Isang pangkat ng mga siyentipiko mula sa TU Wien, University of Malta, at Chalmers University of Technology ang nagpakita na sa pamamagitan ng paggamit ng mga espesyal na pamamaraan, maaari nating pataasin ang katumpakan nang eksponensyal.

Ang pangunahing punto dito ay ang paggamit ng dalawang magkaibang time scales, katulad kung paano ang isang karaniwang orasan ay may minute hand at second hand.

Paano Binabago ng Quantum Physics ang Gastos ng Entropy sa Oras

Ang mga pisikal na aparato na gumagana nang hindi nasa equilibrium ay naaapektuhan ng thermal fluctuations (random na paglihis ng isang sistema mula sa kanyang average na estado), na naglilimita sa katumpakan ng kanilang operasyon. Ang problemang ito ay mas kapansin-pansin sa napakaliit at quantum na sukat, kung saan kailangan natin ng entropy dissipation upang mapagaan ito.

Sa kaso ng mga orasan, kinakailangan ang isang thermodynamic flux patungo sa equilibrium upang masukat ang oras, na nagreresulta sa minimum na entropy dissipation sa bawat tik.

Bagaman parehong klasikong at quantum na modelo ay nagpapakita ng linear na ugnayan sa pagitan ng precision at dissipation, ang relasyon ay hindi pa ganap na malinaw.

Sa paghahanap ng pinaka-tumpak na atomic-based na mga orasan, na maaaring lumipat sa nuclear power sa hinaharap, ang mga gastusing ito ay hindi ang pinaka-urgent na alalahanin, ngunit para sa maliliit, self-contained na quantum control, ang eksaktong ugnayan sa pagitan ng dissipation at precision ay maaaring maging praktikal na alalahanin.

Sa pag-iisip na ito, ipinakita na ngayon ng mga mananaliksik ang isang autonomous quantum clock model na nakamit ang katumpakan na sumusukat nang eksponensyal sa dissipation ng entropy.

Ang tagumpay na ito ay pinapagana ng coherent transport sa isang spin chain na may customized couplings, kung saan ang entropy dissipation ay limitado sa isang link lamang, ayon sa pag-aaral. Ipinapakita ng mga resulta na ang coherent quantum dynamics ay maaaring lampasan ang mga limitasyon ng precision ng tradisyunal na thermodynamics, na posibleng makatulong sa pag-develop ng mga hinaharap na low-dissipation, high-precision na quantum devices.

“Sinusuri namin sa prinsipyo kung aling mga orasan ang maaaring teoritikal na posible.”

– Propesor Marcus Huber mula sa Atomic Institute sa TU Wien

Ipinaliwanag niya na may dalawang sangkap na kailangan ng isang orasan. Ang una ay isang time-based generator, tulad ng quantum oscillation o pendulum. Ang ikalawa ay isang counter, na isang elemento na nagbibilang ng mga yunit ng oras, ayon sa time base generator, na lumipas.

Ang time base generator ay palaging bumabalik sa eksaktong parehong estado, o ang pendulum ay eksaktong nasa dating posisyon bago makumpleto ang isang oscillation.

Samantala, sa isang atomic clock, ang caesium atom ay bumabalik sa parehong estado nito bago ito, pagkatapos ng ilang oscillations. Ang counter, gayunpaman, ay dapat magbago upang maging kapaki-pakinabang ang orasan.

“Ibig sabihin nito ay ang bawat orasan ay dapat konektado sa isang irreversible na proseso. Sa wika ng thermodynamics, ito ay nangangahulugang ang bawat orasan ay nagpapataas ng entropy sa uniberso; kung hindi, hindi ito orasan.”

– Florian Meier mula sa TU Wien

Sa isang pendulum clock, ang pendulum ay naglalabas ng ilang init at kaguluhan sa mga molekula ng hangin sa paligid nito. Sa kaso ng isang atomic clock, bawat laser beam na nagbabasa ng estado ng orasan ay naglalabas ng init pati na rin ng radiation at kaya ng entropy. Ayon kay Marcus Huber:

“Ngayon ay maaari na nating isaalang-alang kung gaano karaming entropy ang kailangang i-generate ng isang hypothetikal na orasan na may napakatingkad na precision – at, alinsunod dito, kung gaano karaming enerhiya ang kakailanganin ng isang orasan. Hanggang ngayon, tila may linear na relasyon: kung gusto mo ng isang libong beses na precision, kailangan mong mag-generate ng hindi bababa sa isang libong beses na entropy at gumastos ng isang libong beses na enerhiya.”

Ngunit ang pangkat mula sa TU Wien, kasama ang mga mananaliksik mula sa University of Malta, Chalmers University of Technology, at Austrian Academy of Sciences (ÖAW) ay ngayon nagpakita na ang tinatawag na patakarang ito ay maaaring iwasan sa pamamagitan ng paggamit ng dalawang magkaibang time scales.

Halimbawa, ayon kay Meier, ang mga particle na gumagalaw mula sa isang lugar patungo sa iba ay maaaring gamitin upang sukatin ang oras, katulad kung paano ginagawa ng mga butil ng buhangin sa paghulog mula sa itaas ng baso patungo sa ibaba.

Maaaring pagdugtung-dugtungin ang isang serye ng mga ganitong time-measuring device, at pagkatapos ay mabilang kung ilan na ang nakalipas. Ito ay katulad kung paano binibilang ng mas malaking kamay ng orasan ang bilang ng mga pag-ikot na natapos na ng mas maliit na kamay.

“Sa ganitong paraan, maaari mong pataasin ang katumpakan, ngunit hindi nang walang karagdagang enerhiya,” sabi ni Marcus Huber. “Dahil sa tuwing natatapos ang isang kamay ng orasan ng isang buong pag-ikot at ang isa pang kamay ay sinusukat sa isang bagong lokasyon – maaari mo ring sabihing sa tuwing napapansin ng kapaligiran na ang kamay na ito ay lumipat sa bagong lokasyon – tumataas ang entropy. Ang prosesong pagbibilang na ito ay irreversible.”

Isa pang uri ng particle transport na pinahihintulutan ng quantum physics ay ang paglalakbay sa buong istruktura. Dito, ang mga particle ay naglalakbay sa dial ng orasan nang hindi sinusukat.

Sa prosesong ito, ang particle, sa isang paraan, ay nasa lahat ng lugar na walang malinaw na lokasyon hanggang sa ito ay tuluyang makarating. Doon na sinusukat ang particle, sa isang prosesong irreversible at nagpapataas ng entropy.

Kaya, ang pangkat ay may dalawang proseso: isang mabilis na hindi nagreresulta sa entropy o quantum transport, at ang isa pang proseso kung saan ang mga particle ay dumarating sa pinakahuling dulo.

“Ang mahalagang bagay tungkol sa aming metodo ay ang isang kamay ay kumikilos nang purong batay sa quantum physics, at tanging ang isa pang, mas mabagal na kamay ang may epekto sa pag-generate ng entropy.”

– Yuri Minoguchi ng TU Wien

Ipinakita ng pangkat na ang estratehiya ay nagbibigay-daan sa makabuluhang pagtaas ng precision sa bawat pagtaas ng entropy, kaya mas mataas na precision kaysa dati ang maaaring makamit.

“Higit pa rito, ang teorya ay maaaring subukan sa totoong mundo gamit ang superconducting circuits, isa sa mga pinaka-advanced na quantum technologies na kasalukuyang magagamit.”

– Co-author ng pag-aaral na si Simone Gasparinetti, na namumuno sa experimental team sa Chalmers

Tinawag ito ni Huber na isang mahalagang kinalabasan para sa pananaliksik sa napakatumpak na quantum measurements pati na rin sa pag-suppress ng hindi kanais-nais na fluctuations. Bukod pa rito, ayon kay Huber, “tinutulungan tayo nitong mas maunawaan ang isa sa mga dakilang misteryo ng physics: ang koneksyon sa pagitan ng quantum physics at thermodynamics.”

I-click dito upang matutunan kung paano pinapagana ng thorium ang ultra-precise na nuclear clocks.

Ang Hinaharap na Epekto ng Quantum Timekeeping sa Sangkatauhan

Isa sa pinakamahalagang mapagkukunan para sa atin, mga tao, ay ang oras, na limitado at hindi na maibabalik. Ang oras ay pundamental sa ating pag-iral at pag-unlad.

Upang subaybayan ang ating oras, nag-develop ang mga tao ng mga kalendaryo, at habang ang mga lipunan ay naging mas kumplikado at teknolohikal, naging mas mahalaga ang pagkakaroon ng tumpak na pagsukat ng oras.

Ang pangangailangan ng timekeeping ay isang bagay na nag-o-oscillate nang may steady na tibok at isa pang bagay na nagbibilang ng mga tibok at nagpapakita ng oras.

Ito ay nagdala sa pag-develop ng mga orasan, na naging mas sopistikado sa paglipas ng panahon gamit ang mga pendulum at quartz oscillators.

Mula sa mga wristwatch hanggang sa mga orasan na ginagamit sa mga satelayt, karamihan sa mga modernong orasan ay patuloy na sumusukat ng oras gamit ang quartz crystal oscillator. Kapag nag-apply ng boltahe sa oscillator, ito ay nag-vibrate sa isang tumpak na frequency, na kumikilos tulad ng pendulum sa pendulum clock, na nagbibilang ng lumipas na oras.

Ngunit ang problema ay walang dalawang orasan ang magkapareho. At habang ang mundo ay nagiging mas pinagsama-sama, nagkaroon ng pangangailangan para sa isang konsistent at tumpak na paraan ng pagsukat ng oras. Ang atomic clock ay isang natural na solusyon.

Ang pangarap ng atomic clock ay nagsimula higit isang siglo na ang nakalilipas nang iminungkahi ito ng mga siyentipiko na sina James Maxwell at William Thompson.

Ang mga atom ay ang pangunahing bloke ng lahat ng materya. Sa core ng mga atom ay ang nucleus, na binubuo ng mga proton at neutron, napapalibutan ng mga electron, na maaaring mag-iba sa bilang. Ang mga electron ay nakaayos sa magkakaibang energy level, naglalakbay sa paikot na orbit sa paligid ng nucleus.

Sa pag-absorb at pag-emit ng mga atom ng mga light wave na may tiyak na frequency, napag-isipan ng mga siyentipiko na ang mga atom ng isang tiyak na elemento ay magkapareho at hindi nagbabago, kaya ang mga frequency ng liwanag na kanilang ina-absorb at ini-emit ay hindi dapat magbago.

Habang ang ideya ay unang lumitaw noong huling bahagi ng ika-19 na siglo, hindi ito naging aktwal na na-develop bilang atomic clock hanggang sa mas huli.

Sa katunayan, ang digmaan ay madalas na nagsisilbing malakas na katalista para sa mga siyentipiko at teknolohikal na pag-unlad. Ang digmaan ang nagdala sa mga imbensyon tulad ng microwave oven, GPS, mga computer, at iba pa, na ngayon ay may malalim na epekto sa ating pang-araw-araw na buhay.

Ang atomic clock ay lumitaw din sa panahong iyon. Noong 1939, iminungkahi ng physicist na si Isidor Rabi na gamitin ng mga siyentipiko sa National Institute of Standards and Technology (NIST) (na noon ay National Bureau of Standards (NBS)) ang bagong-develop na molecular beam magnetic resonance technique na nagbigay ng tumpak na sukat ng nuclear magnetic moments bilang time standard.

Sinusukat niya ang frequency kung saan ang mga cesium atom ay natural na nag-aabsorb at nag-eemit ng microwaves, na nasa paligid ng 9.1914 bilyong cycles kada segundo, at tinalakay ito ilang taon pagkatapos, na inilarawan ng NYT bilang isang “cosmic pendulum” na kumukuha ng “radio frequencies sa puso ng mga atom.”

Isang orasan na batay sa ammonia ang ipinakita noong 1949, ngunit sa huli ay hindi ito naging mas tumpak kaysa sa mga umiiral na.

Sa paglipas ng panahon, ang mga bagong teknolohikal na inobasyon tulad ng optical pumping; na lumikha ng mas malakas na magnetic resonance at microwave absorption signals, at Ramsey interferometry; na para sa molecular beam spectroscopy, ay nagdala ng mga pag-unlad sa larangan at nag-udyok sa iba pang mga pangkat na pag-aralan ito.

Noong 1975, ang atomic clock mula sa NIST ay naging sapat na tumpak upang hindi kumita o mawalan ng isang segundo sa loob ng 400,000 taon, habang noong 1993, ang kanilang atomic clock ay naging mas tumpak pa, hindi kumita o nawawalan ng isang segundo sa loob ng 6 milyong taon.

Noong 2019, nag-develop ang NASA ng Deep Space Atomic Clock upang makatulong sa paggawa ng mas autonomous na pag-navigate ng spacecraft patungo sa malalayong lokasyon tulad ng ibang planeta. Ang orasan na ito ay magkakaroon ng error na mas mababa sa isang nanosecond pagkatapos ng apat na araw at mas mababa sa isang microsecond pagkatapos ng isang dekada, na katumbas ng pagkakamali ng isang segundo bawat 10 milyong taon.

Ang atomic clock ng NASA ay halos 50 beses na mas stable kaysa sa mga katapat nito sa GPS satellites, at ito ay naabot sa tulong ng mga mercury atom.

Ang “tumpak at stable na halaga” ng enerhiya na pagkakaiba sa pagitan ng mga orbit ay “talagang susi para sa mga atomic clock,” sabi ni Eric Burt, isang atomic clock physicist sa Jet Propulsion Laboratory (JPL) noong panahong iyon. “Ito ang dahilan kung bakit ang mga atomic clock ay maaaring maabot ang antas ng performance na lampas sa mga mekanikal na orasan.”

Ang uri ng tumpak na timekeeping na nililikha ng mga atomic clock ay hindi kinakailangan para sa pang-araw-araw na buhay, ngunit may malalim na implikasyon sa maraming industriya. Ang mga atomic clock ay nagdala ng mga pag-unlad sa metrology, komunikasyon, advanced navigation systems, at satellite-based positioning.

Ngayon, ang kaalaman na nakuha mula sa pinakabagong pananaliksik ay naglalayong magpasigla ng marami pang pag-unlad. Inaasahan na ito ay magiging lubos na kapaki-pakinabang sa iba’t ibang sektor, kabilang ang artificial intelligence (AI), robotics, at iba pang umuusbong na larangan.

Halimbawa, sa pamamagitan ng pagpapagana ng advanced gravitational wave detectors at climate monitoring satellites, ang mga quantum clock ay maaaring mapataas ang detection ng mga banayad na signal ng sistema ng Earth. Nagbibigay din sila ng mas tumpak na time references na maaaring magpayagan ng bagong antas ng pagsukat para sa pagtaas ng lebel ng dagat, tectonic shifts, at underground mapping.

Sa mundo ng AI, ang mga modelo na nagsasama ng data sa distributed sensors para sa mga smart factory, precision farming, o financial trading ay maaaring makinabang mula sa tumpak na atomic clocks. Maaari rin itong makatulong sa quantum-enhanced AI hardware, kung saan ang quantum timekeeping ay maaaring patatagin ang mga error-prone na quantum processors na ginagamit para sa machine learning. Ang maaasahang kontrol ng qubit, sa huli, ay nakadepende sa tumpak na timing at phase coherence.

Mula sa autonomous vehicles hanggang sa drones at robots, lahat sila ay umaasa sa GPS navigation at lokal na mga orasan. Kaya, ang napakatingkad na quantum clocks ay maaaring magbigay-daan sa ‘GPS-denied’ navigation. Maaari rin itong makatulong sa mga robot swarm na mag-coordinate nang mas mahusay para sa mga komplikadong gawain tulad ng distributed mapping at search-and-rescue.

Ang komunikasyon ay isa pang larangan na maaaring makinabang nang malaki mula sa mga orasan na ito pagdating sa saklaw at katatagan. Ang mga hinaharap na wireless at photonic networks ay makikinabang din dahil nangangailangan ito ng ultra-precise na timing para sa low-latency edge computing at device handovers.

Pamumuhunan sa Advanced Measurement Industry

Honeywell International (HON ) ay isang lider sa advanced measurement systems, kabilang ang napakatumpak na timing devices, atomic clock technologies para sa aerospace at defense, at kahit quantum computing sa pamamagitan ng Quantinuum, na nabuo mula sa pagsasanib ng Cambridge Quantum at Honeywell. 

Ang kumpanya ay pangunahing nagpapatakbo sa pamamagitan ng:

Mga Teknolohiyang Aerospace

• Nagbibigay ng mga produkto, software, at serbisyo para sa mga eroplano.
• Naglingkod sa mga tagagawa ng kagamitan, air transport, at mga sektor ng aviation.

Automation ng Industriya

• Nagbibigay ng mga automation solution para sa matalino, sustainable, at secure na operasyon.
• Target ang mga industriya tulad ng petrochemicals at life sciences.

Automation ng Gusali

• Nagbibigay ng mga solusyon upang matiyak ang ligtas at sustainable na pasilidad.

Solusyon sa Enerhiya at Sustainability

• Nag-aalok ng mga licensing capability na integrated sa material science at chemistry.

Honeywell International (HON )

Ang Honeywell ay may market cap na $154.5 bilyon na ang mga shares ay kasalukuyang nagte-trade sa bagong taas na $241, tumaas ng 6.4% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na 8.70 at P/E (TTM) na 27.62, habang ang dividend yield na inaalok ay 1.88%.

Para sa Q1 2025, iniulat ng kumpanya ang benta na $9.8 bilyon at earnings per share na $2.22. Sa panahong ito, ginamit ng Honeywell ang $2.9 bilyon para sa share repurchases, dividends, at capital expenditures.

“Sinimulan ng Honeywell ang taon nang napakagaling, lumagpas sa mga gabay sa lahat ng sukatan, pinangunahan ng solidong organic growth. Sa ikatlong sunod-sunod na quarter, naghatid kami ng pare-parehong paglago sa backlog kumpara sa nakaraang taon, na pinasigla ng malusog na order rates at patuloy na demand ng mga customer para sa aming mga kakaibang alok.”

– CEO Vimal Kapur

Konklusyon

Ipinapakita ng quantum-enhanced timekeeping na sa patuloy na mga eksperimento, kahit ang pinaka-pundamental na limitasyon sa physics ay maaaring muling pag-isipan. Sa pinakabagong pananaliksik, habang umuunlad ang ating pag-unawa sa quantum thermodynamics, ganoon din ang ating kakayahan na sukatin ang oras nang may napakatingkad na precision.

Sa pamamagitan ng pagsasama ng matalinong arkitektura at malalim na kaalaman sa entropy, hinahamon ng mga mananaliksik ang mga lumang palagay tungkol sa gastusin ng enerhiya at entropy at nagbubukas ng daan para sa isang bagong panahon ng hyper-accurate na mga sistema na may malawak na epekto sa teknolohiya, imprastruktura, agham, at sa uniberso.

Mga Sanggunian na Pag-aaral:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Ang Katumpakan ay Hindi Nililimitahan ng Ikalawang Batas ng Thermodynamics. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Pagsukat sa Thermodynamic Cost ng Pagtatakda ng Oras. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029