Termodinamik Sınırları Aşmak: Zaman Tutmanın Geleceği

Yeni bir çalışma şunu ortaya koyuyor: kuantum etkilerinin doğruluğu¹ beklenenden daha iyi. Bu çalışma, TU Wien araştırmacıları ve işbirlikçilerinin atom saati için kuantum metrolojisinden yararlanmasının ardından ortaya çıktı.

Atomik bir saat, zamanı geleneksel saatlerden çok daha doğru bir şekilde ölçmek için atomların kuantum özelliklerini kullanır. Dünyanın bu en hassas zaman tutucuları, sabit bir frekansta salınan atomların titreşimlerini ölçmek için lazerler kullanarak benzersiz doğruluklarıyla bilinirler.

Ancak kuantum fiziğinin temel yasalarına gelince, her zaman biraz belirsizlik vardır, bu yüzden belli bir miktarda istatistiksel gürültü beklenebilir ve kabul edilmesi gerekir. Bu gürültü veya rastgelelik, elde edilen doğruluk üzerinde bir sınır koyar. 

Yani atom saatleri daha da hassas olabilir ve eğer atom titreşimlerini daha doğru bir şekilde ölçebilirlerse karanlık madde gibi olguları tespit edebilecek ve yer çekiminin zamanın akışı üzerindeki etkisi gibi soruların cevaplanmasına yardımcı olabilecek kadar hassas olabilirler.

İlginçtir ki, bir atom saatinin daha doğru olabilmesi için, o kesinliğe ulaşmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyduğu düşünülmektedir. 

2021 yılında, deneme² doğanın zamanı tutmak için temel bir enerji maliyeti dayatmasıyla saatlerin doğruluğuna bir sınır getirildiğini bildirdi. Araştırmaya göre, zamanı daha doğru ölçen saatler, daha az doğru olanlara göre daha fazla enerji tüketiyor. 

Termodinamiğin temel prensibine göre enerji her zaman sıcak nesnelerden soğuk nesnelere doğru akar. Bu akışı tersine çevirmek (tıpkı bir buzdolabında olduğu gibi) bunun bedelini başka yerde ödememiz gerektiği anlamına gelir.

Yani, bir saatin iki kat daha doğru çalışması için en az iki kat daha fazla enerjiye ihtiyaç duyması, şimdiye kadar değişmez bir yasa gibi görünüyordu.

TU Wien, Malta Üniversitesi ve Chalmers Teknoloji Üniversitesi'nden bilim insanlarından oluşan bir ekip, özel numaralar kullanarak doğruluğun katlanarak artabileceğini gösterdi. 

Buradaki önemli nokta, standart bir saatin dakika ve saniye kollarına sahip olması gibi, iki farklı zaman ölçeği kullanmaktır.

Kuantum Fiziği Zamanın Entropi Maliyetini Nasıl Yeniden Tanımlıyor

Denge dışında çalışan fiziksel cihazlar, termal dalgalanmalardan (bir sistemin ortalama durumundan rastgele sapmaları) etkilenir ve bu da işlemlerinin doğruluğunu sınırlar. Bu sorun, onu azaltmak için entropi dağılımına ihtiyaç duyduğumuz küçük ve kuantum ölçeklerinde daha belirgindir.

Saatler söz konusu olduğunda, zamanı ölçmek için dengeye doğru bir termodinamik akıya ihtiyaç vardır ve bu da tik başına minimum entropi dağılımıyla sonuçlanır. 

Her ne kadar hem klasik hem de kuantum modelleri hassasiyet ile dağılım arasında doğrusal bir ilişki gösterme eğiliminde olmasına rağmen, ilişki hala çok net değildir. 

Gelecekte nükleer enerjiye geçiş yapma olasılığı bulunan en doğru atom tabanlı saat arayışında, bu maliyetler en acil endişe kaynağı olmasa da, küçük, kendi kendine yeten kuantum kontrolü için, dağılım ile hassasiyet arasındaki kesin ilişki potansiyel olarak pratik bir endişe kaynağıdır. 

Bunu akılda tutarak araştırmacılar, entropinin dağılmasıyla üssel olarak ölçeklenen doğruluk elde eden otonom bir kuantum saat modeli sundular. 

Çalışmada, bu başarının, entropi dağılımının tek bir bağlantıyla sınırlandırıldığı, özelleştirilmiş bağlantılara sahip bir spin zincirindeki tutarlı taşıma ile sağlandığı belirtildi. Sonuçlar, tutarlı kuantum dinamiklerinin geleneksel termodinamiğin kesinlik sınırlarını aşabileceğini ve potansiyel olarak gelecekteki düşük dağılımlı, yüksek hassasiyetli kuantum cihazlarının geliştirilmesine yardımcı olabileceğini göstermektedir.

“Teorik olarak hangi saatlerin mümkün olabileceğini prensip olarak analiz ettik.”

– TU Wien Atom Enstitüsü'nden Profesör Marcus Huber

Bir saatin ihtiyaç duyduğu iki bileşen olduğunu açıkladı. Birincisi, kuantum salınımı veya sarkaç gibi zaman tabanlı bir üreteçtir. İkincisi, zaman tabanlı üreteç tarafından tanımlandığı gibi geçen zaman birimlerini sayan bir eleman olan bir sayaçtır.

Zaman tabanlı üreteç her zaman tam olarak aynı duruma geri döner veya sarkaç bir salınımı tamamlamadan önce tam olarak bulunduğu yerdedir. 

Bu arada, bir atom saatinde, sezyum atomu belirli sayıda salınımdan sonra daha önce olduğu duruma geri döner. Ancak, bir saatin yararlı olması için sayacın değişmesi gerekir.

"Bu, her saatin geri döndürülemez bir sürece bağlı olması gerektiği anlamına gelir. Termodinamik dilinde, bu, her saatin evrendeki entropiyi artırdığı anlamına gelir; aksi takdirde, bir saat değildir." 

– TU Wien'den Florian Meier

Bir sarkaçlı saatte, sarkaç etrafındaki hava molekülleri arasında bir miktar ısı ve düzensizlik üretir. Bir atom saati durumunda, saatin durumunu okuyan her lazer ışını, radyasyonun yanı sıra ısı ve dolayısıyla entropi üretir. Marcus Huber'e göre:

"Artık son derece yüksek hassasiyete sahip varsayımsal bir saatin ne kadar entropi üretmesi gerektiğini ve buna bağlı olarak böyle bir saatin ne kadar enerjiye ihtiyaç duyacağını düşünebiliriz. Şimdiye kadar doğrusal bir ilişki varmış gibi görünüyordu: bin kat daha fazla hassasiyet istiyorsanız, en az bin kat daha fazla entropi üretmeniz ve bin kat daha fazla enerji harcamanız gerekir."

Ancak TU Wien'den bir ekip, Malta Üniversitesi, Chalmers Teknoloji Üniversitesi ve Avusturya Bilimler Akademisi'nden (ÖAW) araştırmacılarla işbirliği yaparak, sözde bu kuralın iki farklı zaman ölçeği kullanılarak aşılabileceğini gösterdi.

Örneğin Meier'in paylaştığı gibi, bir alandan diğerine hareket eden parçacıklar, kum tanelerinin camın üstünden dibine düşerek yaptığı gibi, zamanı ölçmek için kullanılabilir.

Bu tür zaman ölçme cihazlarının bir serisi seri olarak bağlanabilir ve daha sonra bunlardan kaç tanesinin geçtiğini sayabilirsiniz. Bu, daha büyük saat kolunun daha küçük saat kolunun tamamladığı tur sayısını saymasına benzer.

Marcus Huber, "Bu şekilde doğruluğu artırabilirsiniz, ancak daha fazla enerji harcamadan değil," dedi. "Çünkü her seferinde bir saat kolu tam bir dönüşü tamamladığında ve diğer saat kolu yeni bir konumda ölçüldüğünde - ayrıca etrafındaki çevrenin bu kolun yeni bir konuma hareket ettiğini fark ettiği her seferinde de diyebilirsiniz - entropi artar. Bu sayma süreci geri döndürülemezdir."

Kuantum fiziğinin izin verdiği bir başka parçacık taşıma türü de tüm yapı boyunca seyahat etmektir. Burada, parçacıklar ölçülmeden saat kadranı boyunca seyahat eder.

Bu süreç boyunca, parçacık bir bakıma, en sonunda gerçekten varana kadar açıkça tanımlanmış bir konumu olmadan her yerdedir. Parçacık o zaman ölçülür, geri döndürülemez ve entropiyi artıran bir süreçle.

Yani ekibin iki süreci var: Biri entropi veya kuantum taşınımıyla sonuçlanmayan hızlı bir süreç, diğeri ise parçacıkların en sona ulaştığı süreç.

"Yöntemimizin en önemli noktası, bir elin tamamen kuantum fiziği açısından davranması ve yalnızca diğer, daha yavaş olan elin entropi üreten bir etkiye sahip olmasıdır."

– TU Wien'den Yuri Minoguchi

Ekip, stratejinin entropideki her artışla birlikte hassasiyette önemli bir artışa izin verdiğini, dolayısıyla daha önce düşünülenden daha yüksek hassasiyete ulaşılabileceğini gösterdi.

Dahası, teori şu anda mevcut en gelişmiş kuantum teknolojilerinden biri olan süperiletken devreler kullanılarak gerçek dünyada test edilebilir.

– Chalmers'daki deneysel ekibin lideri olan çalışmanın ortak yazarı Simone Gasparinetti 

Huber, bunu son derece doğru kuantum ölçümleri ve istenmeyen dalgalanmaların bastırılması üzerine yapılan araştırmalar için önemli bir sonuç olarak adlandırdı. Dahası, Huber, araştırmanın "fiziğin en büyük gizemlerinden birini daha iyi anlamamıza yardımcı olduğunu" belirtti: kuantum fiziği ile termodinamik arasındaki bağlantı.

Toryumun ultra hassas nükleer saatlere nasıl güç verdiğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Kuantum Zaman Tutmanın İnsanlık Üzerindeki Gelecekteki Etkisi

Biz insanlar için en değerli kaynaklardan biri, sınırlı ve geri döndürülemez olan zamandır. Zaman, varoluşumuz ve ilerlememiz için temeldir.

İnsanlar zamanımızı takip edebilmek için takvimler geliştirdiler ve daha sonra toplumlar daha karmaşık ve teknolojik hale geldikçe doğru zamanı tutmak daha da önemli hale geldi. 

Zaman tutmanın ihtiyacı olan şey, sabit bir vuruşla salınan bir şey ve bu vuruşları sayan ve zamanı gösteren bir şeydir. 

Bu durum, zamanla sarkaçlar ve kuvars osilatörlerle daha da karmaşıklaşan saatlerin geliştirilmesine yol açtı. 

Kol saatlerinden uydularda kullanılan saatlere kadar, çoğu modern saat hala kuvars kristal osilatörü kullanarak zamanı tutar. Osilatöre bir voltaj uygulandığında, sarkaçlı bir saatteki sarkaç gibi davranan ve geçen zamanı sayan hassas bir frekansta titreşir.

Ancak sorun şu ki, hiçbir iki saat aynı değildi. Ve dünya daha da entegre hale geldikçe, zamanı ölçmek için tutarlı ve doğru bir yola ihtiyaç duyuldu. Atom saati doğal bir çözümdü.

Atom saati hayali aslında bundan bir asırdan fazla bir zaman önce bilim insanları James Maxwell ve William Thompson'ın bu fikri ortaya atmasıyla başladı. 

Atomlar tüm maddelerin temel yapı taşlarıdır. Atomların çekirdeğinde, proton ve nötronlardan oluşan ve sayıları değişebilen elektronlarla çevrili çekirdek bulunur. Elektronlar, çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde hareket ederek farklı enerji seviyelerinde düzenlenir. 

Atomların belirli frekanslardaki ışık dalgalarını emip yaymasıyla, bilim insanları belirli bir elementin atomlarının birbirleriyle aynı olduğu ve asla değişmediği sonucuna vardılar; dolayısıyla emdikleri ve yaydıkları ışık frekansları da değişmemeli. 

Bu fikir ilk olarak 19. yüzyılın sonlarında ortaya atılmış olsa da atom saatinin gerçek anlamda geliştirilmesi çok daha sonra gerçekleşmiştir. 

Gerçek şu ki, savaş bilimsel ve teknolojik ilerlemeler için güçlü bir katalizör görevi görme eğilimindedir. Mikrodalga fırın, GPS, bilgisayarlar ve daha fazlası gibi icatlara yol açan savaştı ve bunların günümüzde günlük yaşamlarımız üzerinde derin etkileri var. 

Atom saati de böyle bir zamanda geldi. 1939'da fizikçi Isidor Rabi, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) (o zamanki Ulusal Standartlar Bürosu (NBS)) bilim insanlarının, nükleer manyetik momentlerin hassas ölçümlerini sağlayan yeni geliştirilen moleküler ışın manyetik rezonans tekniğini bir zaman standardı olarak kullanmalarını önerdi. 

Daha sonra sezyum atomlarının doğal olarak mikrodalgaları emdiği ve yaydığı frekansı ölçtü, bu saniyede yaklaşık 9.1914 milyar döngüydü ve yıllar sonra bundan bahsetti, NYT bunu "atomların kalbindeki radyo frekanslarını kullanan bir kozmik sarkaç" olarak tanımladı.

1949 yılında amonyağa dayalı bir saat tanıtıldı, ancak sonuçta mevcut saatlerden daha doğru olmadığı görüldü.

Zamanla, çok daha güçlü manyetik rezonans ve mikrodalga emilim sinyalleri yaratan optik pompalama ve moleküler ışın spektroskopisi için kullanılan Ramsey interferometrisi gibi yeni teknolojik yenilikler, bu alanda ilerlemelere yol açtı ve diğer bilimsel grupları da aynı konuyu incelemeye yöneltti.

1975'te NIST'in atom saati 400,000 yılda bir saniye ileri veya geri gitmeyecek kadar doğruydu; 1993'te ise atom saati daha da doğru hale gelerek 6 milyon yılda bir saniye ileri veya geri gitmiyordu. 

NASA, 2019'da uzay aracının diğer gezegenler gibi uzak yerlere navigasyonunu daha otonom hale getirmek için Derin Uzay Atom Saati'ni geliştirdi. Bu saat dört gün sonra bir nanosaniyeden daha az ve on yıl sonra bir mikrosaniyeden daha az sapma gösterecek, bu da her 10 milyon yılda yalnızca bir saniye sapmaya eşdeğer.

NASA'nın atom saati, GPS uydularındaki benzerlerinden yaklaşık 50 kat daha kararlıydı ve bu, cıva atomlarının yardımıyla başarıldı. 

O dönemde Jet Propulsion Laboratory'de (JPL) atom saati fizikçisi olan Eric Burt, yörüngeler arasındaki enerji farkının "kesin ve istikrarlı değeri"nin "atom saatleri için gerçekten de temel bileşen olduğunu" söyledi. "Atom saatlerinin mekanik saatlerin ötesinde bir performans seviyesine ulaşabilmesinin nedeni budur."

Atomik saatlerin ürettiği hassas zaman tutma türü günlük yaşam için gerekli değildir, ancak birçok başka endüstride derin etkileri vardır. Atomik saatler aslında metroloji, iletişim, gelişmiş navigasyon sistemleri ve uydu tabanlı konumlandırmada ilerlemelere yol açmıştır.

Şimdi, son araştırmalarla elde edilen bilgi çok daha fazla ilerlemeyi teşvik etmeyi amaçlıyor. Yapay zeka (AI), robotik ve diğer yeni alanlar dahil olmak üzere sektörler genelinde son derece faydalı olması bekleniyor.

Örneğin, gelişmiş kütle çekim dalgası dedektörlerine ve iklim izleme uydularına güç vererek, kuantum saatleri ince Dünya sistemi sinyallerinin tespitini artırabilir. Ayrıca deniz seviyesinin yükselmesi, tektonik kaymalar ve yeraltı haritalaması için yeni ölçüm seviyelerine olanak sağlayabilecek daha kesin zaman referansları sağlarlar.

Bu arada, AI dünyasında, akıllı fabrikalar, hassas çiftçilik veya finansal ticaret için dağıtılmış sensörlerle veriyi birleştiren modeller doğru atom saatlerinden faydalanabilir. Ayrıca, kuantum zaman tutmanın makine öğrenimi için kullanılan hataya açık kuantum işlemcileri stabilize edebildiği kuantumla geliştirilmiş AI donanımında da yardımcı olabilir. Sonuçta, güvenilir kübit kontrolü hassas zamanlamaya ve faz tutarlılığına bağlıdır.

Otonom araçlardan dronlara ve robotlara kadar hepsi GPS navigasyonuna ve yerel saatlere güveniyor. Yani, buradaki yüksek doğruluklu kuantum saatleri 'GPS engellenmiş' navigasyonu etkinleştirebilir. Ayrıca robot sürülerinin dağıtılmış haritalama ve arama-kurtarma gibi karmaşık görevler için daha iyi koordine olmalarına yardımcı olabilirler.

İletişim, menzil ve kararlılık açısından bu saatlerden çok faydalanabilecek bir diğer alandır. Gelecekteki kablosuz ve fotonik ağlar da düşük gecikmeli uç bilişim ve cihaz devir teslimleri için ultra hassas zamanlama gerektirdiklerinden faydalanacaktır.

Gelişmiş Ölçüm Endüstrisine Yatırım Yapmak

Honeywell International (HON ) havacılık ve savunma için yüksek hassasiyetli zamanlama cihazları, atom saati teknolojileri de dahil olmak üzere gelişmiş ölçüm sistemlerinde liderdir ve Hatta Quantimum aracılığıyla kuantum hesaplamaCambridge Quantum ve Honeywell'in birleşmesiyle oluşan. 

Şirket esas olarak şu şekilde faaliyet göstermektedir:

Havacılık ve Uzay Teknolojileri

• Uçaklar için ürün, yazılım ve hizmetler sağlar.
• Ekipman üreticilerine, hava taşımacılığına ve havacılık sektörüne hizmet vermektedir.

Endüstriyel Otomasyon

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

bina Otomasyon

• Güvenli ve sürdürülebilir tesislerin sağlanması için çözümler sunar.

Enerji ve Sürdürülebilirlik Çözümleri

• Malzeme bilimi ve kimya ile entegre lisanslama yetenekleri sunar.

Honeywell International (HON )

Honeywell'in piyasa değeri 154.5 milyar dolar olup hisseleri şu anda 241 dolarda, %6.4 YTD artışla yeni zirvelerde işlem görüyor. EPS (TTM) 8.70 ve P/E (TTM) 27.62'dir ve sunulan temettü getirisi %1.88'dir.

Şirket, 1'in 2025. çeyreğinde 9.8 milyar dolarlık satış ve hisse başına 2.22 dolarlık kazanç bildirdi. Bu dönemde Honeywell, hisse geri alımları, temettüler ve sermaye harcamaları için 2.9 milyar dolar kullandı.

"Honeywell, sağlam organik büyümenin önderliğinde tüm metriklerde rehberliği aşarak yıla olağanüstü bir başlangıç ​​yaptı. Üçüncü çeyrekte, sağlıklı sipariş oranları ve farklılaştırılmış tekliflerimize yönelik devam eden müşteri talebiyle yönlendirilen hem ardışık hem de yıllık birikmiş sipariş büyümesi sağladık."

– CEO Vimal Kapur

Sonuç

Kuantumla geliştirilmiş zaman tutma, devam eden deneylerle fizikteki en temel sınırların bile yeniden düşünülebileceğini gösteriyor. Son araştırmalarla, kuantum termodinamiğine ilişkin anlayışımız ilerledikçe, zamanı büyük bir hassasiyetle ölçme yeteneğimiz de gelişecek. 

Akıllı mimarileri ve derin entropi bilgisini bir araya getiren araştırmacılar, enerji ve entropi maliyetleri hakkındaki eski varsayımları sorguluyor ve teknoloji, altyapı, bilim ve evren üzerinde geniş kapsamlı etkileri olan hiper-doğrulukta sistemler için yeni bir çağın yolunu açıyor.

Atıf Yapılan Çalışmalar:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Hassasiyet Termodinamiğin İkinci Yasasıyla Sınırlı Değildir. Nat. Phys. 2025, Gelişmiş çevrimiçi yayın. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, AN; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, EA; Briggs, GAD; Huber, M.; Ares, N. Zaman Tutmanın Termodinamik Maliyetini Ölçmek. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029