Termodinamik Sınırları Kırmak: Zaman Ölçümünün Geleceği

Yeni bir çalışma, kuantum etkilerinin doğruluğu¹ beklendiğinden daha iyi olduğunu ortaya koyuyor. Bu çalışma, TU Wien’den araştırmacıların ve işbirlikçilerinin atomik saat için kuantum metrologisini kullanmasıyla gerçekleşti.

Bir atomik saat, atomların kuantum özelliklerini kullanarak zamanı geleneksel saatlerden çok daha hassas ölçer. Dünyanın en hassas zaman tutucuları, atomların sabit bir frekansta titreşen titreşimlerini ölçmek için lazerler kullandıkları için benzeri görülmemiş bir doğruluğa sahiptir.

Ancak kuantum fiziğinin temel yasalarına geldiğimizde her zaman bir belirsizlik vardır, bu yüzden belirli bir miktarda istatistiksel gürültü beklenir ve kabul edilmelidir. Bu gürültü ya da rastgelelik, elde edilen doğruluk üzerinde bir sınır koyar. 

Dolayısıyla atomik saatler daha da hassas olabilir ve atomik titreşimleri daha doğru ölçebilirlerse, karanlık madde gibi fenomenleri tespit edecek kadar duyarlı olurlar ve yerçekiminin zaman akışı üzerindeki etkisi gibi sorulara yanıt bulmaya yardımcı olabilirler.

İlginç bir şekilde, bir atomik saatin daha doğru olması için bu hassasiyeti elde etmek adına daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulduğuna inanılmaktadır. 

2021 yılında bir deney², doğanın zamanı tutmak için temel bir enerji maliyeti dayattığını gösteren bir saat doğruluk sınırı rapor etti. Araştırmaya göre, zamanı daha doğru ölçen saatler, daha az doğru olanlara göre daha fazla enerji tüketir. 

Termodinamiğin temel ilkelerinden biri, enerjinin her zaman sıcak nesnelerden soğuk nesnelere akmasıdır; bu akışı tersine çevirmek (buzdolabı gibi) başka bir yerde bir bedel ödemeyi gerektirir.

Dolayısıyla, iki kat daha doğru olmak için en az iki kat daha fazla enerji gerektiren bir saat, şimdiye kadar değişmez bir yasa gibi görünüyordu, ancak bu durum artık geçerli değil.

TU Wien, Malta Üniversitesi ve Chalmers Teknoloji Üniversitesi’nden bir bilim insanları ekibi, özel hileler kullanarak doğruluğu üssel olarak artırabileceğimizi gösterdi. 

Buradaki kilit nokta, standart bir saatin dakika ve saniye ibresi gibi iki farklı zaman ölçeği kullanılmasıdır.

Kuantum Fiziği, Zamanın Entropi Maliyeti Tanımını Yeniden Belirliyor

Denge dışı çalışan fiziksel cihazlar, termal dalgalanmalardan (bir sistemin ortalama durumundan rastgele sapmalar) etkilenir; bu da operasyonlarının doğruluğunu sınırlar. Bu sorun, çok küçük ve kuantum ölçeklerinde daha belirgindir; burada entropi dağıtımı bu etkiyi hafifletmek için gereklidir.

Saatler söz konusu olduğunda, zamanı ölçmek için dengeye doğru bir termodinamik akış gereklidir ve bu da her tik için minimum bir entropi dağıtımı anlamına gelir. 

Hem klasik hem de kuantum modelleri genellikle doğruluk ile dağıtım arasında lineer bir ilişki gösterir, ancak ilişki hâlâ tam olarak net değildir. 

En doğru atomik temelli saatlerin peşinde koşulurken, gelecekte nükleer enerjiye geçiş yapabilecekleri düşünülse de, bu maliyetler en acil endişe kaynağı değildir; ancak küçük, kendi kendine yeten kuantum kontrolü için dağıtım ile doğruluk arasındaki kesin ilişki pratik bir sorun olabilir. 

Bu bağlamda, araştırmacılar artık entropi dağıtımıyla üssel olarak ölçeklenen bir doğruluk elde eden otonom bir kuantum saat modeli sundular. 

Bu başarı, özelleştirilmiş bağlamalara sahip bir spin zincirinde koherent taşıma sayesinde mümkün oldu; burada entropi dağıtımı tek bir bağlantıya sınırlı tutuldu, çalışma bunu belirtiyor. Sonuçlar, koherent kuantum dinamiklerinin geleneksel termodinamiğin doğruluk sınırlarını aşabileceğini gösteriyor ve gelecekte düşük dağıtımlı, yüksek hassasiyetli kuantum cihazların geliştirilmesine yardımcı olabilir.

“İlke olarak, teorik olarak mümkün olabilecek saatleri analiz ettik.”

– TU Wien Atom Enstitüsü’nden Prof. Marcus Huber

Huber, bir saatin iki bileşene ihtiyacı olduğunu açıkladı. İlk bileşen, bir kuantum salınımı ya da bir sarkaç gibi zaman tabanlı bir üreteçtir. İkinci bileşen ise, zaman tabanı üreteci tarafından tanımlanan zaman birimlerini sayan bir sayıcıdır.

Zaman tabanı üreteci her zaman tam olarak aynı duruma geri döner, ya da sarkaç bir salınımı tamamladıktan sonra tam olarak aynı konumda olur. 

Öte yandan, bir atomik saatte sezyum atomu belirli bir salınım sayısından sonra aynı duruma geri döner. Ancak sayıcı, saatin işe yarar olması için değişmelidir.

“Bu, her saatin geri döndürülemez bir süreçle bağlantılı olması gerektiği anlamına gelir. Termodinamiğin dilinde, bu her saatin evrendeki entropiyi artırdığı anlamına gelir; aksi takdirde bir saat değildir.” 

– TU Wien’den Florian Meier

Bir sarkaç saatinde, sarkaç etrafındaki hava moleküllerine biraz ısı ve düzensizlik verir. Bir atomik saatte ise, saatin durumunu okuyan her lazer ışını ısı, radyasyon ve dolayısıyla entropi üretir. Marcus Huber’a göre:

“Şimdi, son derece yüksek doğrulukta hayali bir saatin ne kadar entropi üretmesi gerektiğini ve buna göre ne kadar enerjiye ihtiyaç duyacağını düşünebiliriz. Şimdiye kadar, doğrulukla enerji arasında lineer bir ilişki olduğu düşünülüyordu: bin kat daha fazla doğruluk istiyorsanız, en az bin kat daha fazla entropi üretmeli ve bin kat daha fazla enerji harcamalısınız.”

Ancak TU Wien ekibi, Malta Üniversitesi, Chalmers Teknoloji Üniversitesi ve Avusturya Bilimler Akademisi (ÖAW) iş birliğiyle, bu sözde kuralın iki farklı zaman ölçeği kullanılarak aşılabildiğini gösterdi.

Örneğin, Meier’in belirttiği gibi, bir bölgeden diğerine hareket eden parçacıklar, kum tanelerinin bir saat camının üstünden altına düşmesi gibi zamanı ölçmek için kullanılabilir.

Bu tür zaman ölçüm cihazlarından oluşan bir dizi seri bağlanabilir ve kaç tanesinin zaten geçtiği sayılabilir. Bu, büyük ibrenin küçük ibrenin kaç tur tamamladığını saymasıyla benzer bir durumdur.

“Bu şekilde doğruluğu artırabilirsiniz, ancak daha fazla enerji harcamadan olmaz,” dedi Marcus Huber. “Çünkü bir ibre tam bir dönüş yaptığında ve diğer ibre yeni bir konumda ölçüldüğünde – ya da çevre bu ibrenin yeni bir konuma taşındığını fark ettiğinde – entropi artar. Bu sayma süreci geri döndürülemezdir.”

Bir başka kuantum fiziği tarafından izin verilen parçacık taşıma türü, bütün yapıyı dolaşmaktır. Burada parçacıklar, ölçülmeden saatin kadranının üzerinden geçer.

Bu süreçte parçacık, sonunda gerçekten varıncaya kadar belirli bir konumu olmayan, her yerde bir şekilde bulunur. Daha sonra parçacık ölçülür; bu da geri döndürülemez bir süreçtir ve entropi artırır.

Dolayısıyla ekip iki süreç geliştirdi: birincisi hızlı ve entropi ya da kuantum taşıma üretmeyen, ikincisi ise parçacıkların en sonunda varması.

“Yöntemimizin kritik yönü, bir ibrenin tamamen kuantum fiziği açısından davranması ve sadece daha yavaş ibrenin entropi üreten etkisi olmasıdır.”

– TU Wien’den Yuri Minoguchi

Ekip, bu stratejinin her entropi artışıyla doğruluğu önemli ölçüde artırdığını gösterdi; böylece daha önce mümkün olmayan bir hassasiyet elde edilebiliyor.

“Dahası, bu teori süperiletken devreler kullanılarak gerçek dünyada test edilebilir; bu da şu anda mevcut en gelişmiş kuantum teknolojilerinden biridir.”

– Çalışma ortak yazarı Simone Gasparinetti, Chalmers’taki deneysel ekibin lideri

Huber, bu bulguyu yüksek doğruluklu kuantum ölçümleri araştırması ve istenmeyen dalgalanmaların bastırılması için kritik bir sonuç olarak nitelendirdi. Ayrıca araştırma, “fiziksel bir büyük gizemi – kuantum fiziği ile termodinamik arasındaki bağlantıyı – daha iyi anlamamıza yardımcı oluyor” dedi.

Klorun ultra hassas nükleer saatleri nasıl güçlendirdiğini öğrenmek için buraya tıklayın.

İnsanlık Üzerindeki Kuantum Zaman Ölçümünün Gelecek Etkisi

İnsanlar için en değerli kaynaklardan biri zamandır; sınırlı ve geri dönüşü olmayan bir kaynaktır. Zaman, varoluşumuz ve ilerlememiz için temeldir.

Zamanı takip edebilmek için takvimler geliştirdik ve toplumlar daha karmaşık ve teknolojik hale geldikçe, doğru zaman ölçümüne olan ihtiyaç da artmıştır. 

Zaman ölçümünün ihtiyacı, sabit bir ritimle salınan bir şey ve bu darbeleri sayan ve zamanı gösteren bir başka şeydir. 

Bu, saatlerin geliştirilmesine yol açtı; zamanla sarkaçlar ve kuvars osilatörleriyle daha karmaşık hâle geldi. 

Bileklik saatlerinden uydu saatlerine kadar, modern saatlerin çoğu hâlâ kuvars kristal osilatörleriyle zamanı tutar. Bir voltaj osilatöre uygulandığında, osilatör kesin bir frekansta titreşir; bu, sarkaçlı bir saatin sarkacına benzer ve geçen zamanı işaret eder.

Ancak sorun, iki saatin aynı olmamasıydı. Dünya giderek daha bütünleşik hale geldikçe, tutarlı ve doğru bir zaman ölçümüne ihtiyaç doğdu. Atomik saat bu ihtiyacın doğal bir çözümüydü.

Atomik saat hayali, bilim insanları James Maxwell ve William Thompson’ın bir asırdan fazla önce bu fikri ortaya atmasıyla başladı. 

Atomlar, tüm maddenin temel yapı taşlarıdır. Atomların çekirdeğinde proton ve nötronlar bulunur; çevresinde ise sayısı değişebilen elektronlar döner. Elektronlar belirli enerji seviyelerinde, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde hareket eder. 

Atomlar belirli frekansta ışık dalgalarını absorbe edip yaydıklarından, bilim insanları aynı elementin atomlarının birbirinin aynı olduğunu ve değişmediğini varsaydılar; dolayısıyla absorbe ettikleri ve yaydıkları ışık frekansları da değişmez olmalı. 

Bu fikir 19. yüzyılın sonlarında ortaya çıkmış olsa da, atomik saat ancak çok daha sonra geliştirildi. 

Savaş, bilim ve teknoloji ilerlemeleri için güçlü bir katalizör görevi görür. Mikrodalga fırın, GPS, bilgisayarlar ve daha fazlası savaş sırasında icat edildi; bugün günlük yaşamımızda derin etkileri var. 

Atomik saat de bu dönemde ortaya çıktı. 1939’da fizikçi Isidor Rabi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) (o zamanlar Ulusal Standartlar Bürosu (NBS))’nin yeni geliştirdiği moleküler ışın manyetik rezonans tekniğini zaman standardı olarak kullanmasını önerdi. 

Rabi, sezyum atomlarının doğal olarak mikrodalgaları absorbe edip yaydığı frekansı ölçtü; bu frekans yaklaşık 9.1914 milyar döngü/saniyeydi ve yıllar sonra NYT tarafından “atomların kalbinde radyo frekanslarını çalan kozmik bir sarkaç” olarak tanımlandı.

1949’da amonyak tabanlı bir saat gösterildi, ancak mevcut saatlerden daha doğru olmadığı kanıtlandı.

Zamanla, optik pompalama gibi yeni teknolojik yenilikler; daha güçlü manyetik rezonans ve mikrodalga absorpsiyon sinyalleri yarattı; ve Ramsey interferometri; moleküler ışın spektroskopisi için geliştirildi; bu da alandaki ilerlemeleri tetikledi ve diğer bilimsel grupların aynı konuyu incelemesine yol açtı.

1975’te NIST’in atomik saati, 400.000 yılda bir saniye kaybetmeyen ya da kazanmayan bir doğruluğa ulaştı; 1993’te ise aynı saat, 6 milyon yılda bir saniye kaybetmeyen ya da kazanmayan bir hassasiyete sahip oldu. 

2019’da NASA, derin uzay görevlerinde daha özerk bir navigasyon sağlamak için Deep Space Atomic Clock (Derin Uzay Atomik Saati) geliştirdi. Bu saat, dört gün içinde bir nanosaneden az ve bir on yıl içinde bir mikrosaneden az sapma gösteriyor; bu da 10 milyon yılda bir saniyelik bir sapmaya eşdeğer.

NASA’nın atomik saati, GPS uydularındaki muadillerine göre yaklaşık 50 kat daha kararlıydı ve bu başarı cıva atomları sayesinde elde edildi. 

“Enerji farkının yörüngeler arasındaki ‘kesin ve kararlı değeri’, atomik saatlerin gerçek ana bileşenidir,” dedi o dönemde Jet Propulsion Laboratory (JPL) fizikçisi Eric Burt. “Bu, atomik saatlerin mekanik saatlerin ötesinde bir performans seviyesine ulaşmasının sebebidir.”

Atomik saatlerin ürettiği bu hassas zaman ölçümü günlük hayatta zorunlu olmasa da, metrologi, iletişim, gelişmiş navigasyon sistemleri ve uydu konumlandırması gibi birçok sektörde derin etkileri vardır.

Şimdi, en son araştırmadan elde edilen bilgiler, birçok yeni ilerlemeyi tetiklemeyi amaçlıyor. Bu gelişmelerin yapay zeka (AI), robotik ve diğer yükselen alanlar gibi sektörlerde son derece faydalı olması bekleniyor.

Örneğin, gelişmiş yerçekimi dalgası dedektörlerini ve iklim izleme uydularını güçlendirmek için kuantum saatler kullanılabilir; bu sayede Dünya sistemindeki ince sinyallerin tespiti artırılır. Ayrıca, deniz seviyesi yükselmesi, tektonik kaymalar ve yer altı haritalaması gibi ölçümlerde yeni seviyeler sağlamak için daha kesin zaman referansları sunarlar.

AI dünyasında ise, akıllı fabrikalar, hassas tarım veya finansal ticaret için dağıtılmış sensörlerle veri birleştiren modeller, doğru atomik saatlerden faydalanabilir. Ayrıca, kuantum zaman ölçümü, makine öğrenimi için kullanılan hataya eğilimli kuantum işlemcileri stabilize ederek kuantum destekli AI donanımına da yardımcı olur. Güvenilir kubit kontrolü, sonuçta, kesin zamanlama ve faz koherensine bağlıdır.

Otonom araçlardan dronlara ve robotlara kadar, hepsi GPS navigasyonu ve yerel saatlere dayanır. Bu yüzden yüksek doğruluklu kuantum saatler, ‘GPS olmayan’ navigasyonu mümkün kılar. Ayrıca, robot sürüleri karmaşık görevlerde, dağıtılmış haritalama ve arama-kurtarma gibi daha iyi koordinasyon sağlayabilir.

İletişim, bu saatlerden menzil ve kararlılık açısından büyük ölçüde fayda sağlayabilir. Gelecekteki kablosuz ve fotonik ağlar da düşük gecikmeli kenar bilişim ve cihaz geçişleri için ultra hassas zamanlamaya ihtiyaç duyacak.

İleri Ölçüm Endüstrisine Yatırım

Honeywell International (HON ) gelişmiş ölçüm sistemlerinde liderdir; yüksek hassasiyetli zaman cihazları, havacılık ve savunma için atomik saat teknolojileri ve Quantinuum aracılığıyla kuantum bilgisayar (Cambridge Quantum ve Honeywell birleşimi) dahil.

Şirket esas olarak şu alanlarda faaliyet gösterir:

Aerospace Technologies

• Uçaklar için ürün, yazılım ve hizmet sağlar.
• Ekipman üreticileri, hava taşımacılığı ve havacılık sektörlerine hizmet verir.

Industrial Automation

• Akıllı, sürdürülebilir ve güvenli operasyonlar için otomasyon çözümleri sunar.
• Petrokimya ve yaşam bilimleri gibi sektörleri hedef alır.

Building Automation

• Güvenli ve sürdürülebilir tesisler sağlamak için çözümler sunar.

Energy and Sustainability Solutions

• Malzeme bilimi ve kimya ile bütünleşik lisanslama yetenekleri sunar.

Honeywell International (HON )

Honeywell’in piyasa değeri 154,5 milyar $’dır ve hisseleri şu anda 241 $ seviyesinde yeni zirvelerde işlem görmekte, YTD %6,4 artış göstermektedir. EPS (TTM) 8,70 ve P/E (TTM) 27,62 iken temettü getirisi %1,88’dir.

2025 Q1’de şirket 9,8 milyar $ satış ve hisse başına 2,22 $ kazanç açıkladı. Bu dönemde Honeywell, hisse geri alımları, temettüler ve sermaye harcamaları için 2,9 milyar $ kullandı.

“Honeywell yılı olağanüstü bir şekilde başlattı, tüm metriklerde rehberliği aştı ve güçlü organik büyüme ile liderliğini sürdürdü. Üçüncü çeyrekte de ardışık ve yıllık sipariş birikimi artışı sağladık; bu, sağlıklı sipariş oranları ve farklılaştırılmış tekliflerimize olan sürekli müşteri talebinden kaynaklanıyor.”

– CEO Vimal Kapur

Sonuç

Kuantum destekli zaman ölçümü, deneyler devam ettikçe, fiziğin en temel sınırlarının bile yeniden düşünülmesini gösteriyor. En yeni araştırmalarla, kuantum termodinamiği anlayışımız ilerledikçe, zamanı büyük bir hassasiyetle ölçme yeteneğimiz de artacak. 

Akıllı mimariler ve entropi konusundaki derin bilgi birikimini birleştirerek, araştırmacılar enerji ve entropi maliyetleri hakkındaki eski varsayımları sorguluyor ve teknoloji, altyapı, bilim ve evren üzerinde geniş kapsamlı etkileri olan hiper‑doğru sistemlerin yeni bir çağını açıyor.

Referans Alınan Çalışmalar:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Precision is Not Limited by the Second Law of 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. Measuring the Thermodynamic Cost of Timekeeping. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029