Efek kuantum sering digunakan saat ini untuk pengukuran yang sangat tepat. Tapi di mana batas akurasi absolut? Hasil dari Tu Wien dan kolaborator menunjukkan bahwa itu lebih baik dari yang diharapkan.
Bagaimana sifat aneh dari partikel kuantum dapat dieksploitasi untuk melakukan pengukuran yang sangat akurat? Pertanyaan ini adalah jantung dari bidang penelitian metrologi kuantum. Salah satu contohnya adalah jam atom, yang menggunakan sifat kuantum atom untuk mengukur waktu jauh lebih akurat daripada yang dimungkinkan dengan jam konvensional.
Namun, hukum mendasar fisika kuantum selalu melibatkan tingkat ketidakpastian tertentu. Beberapa keacakan atau sejumlah suara statistik harus diterima. Ini menghasilkan batasan mendasar terhadap keakuratan yang dapat dicapai. Sampai sekarang, tampaknya merupakan hukum yang tidak dapat diubah bahwa jam dua kali lebih akurat membutuhkan setidaknya dua kali lebih banyak energi. Tetapi sekarang tim peneliti dari Tu Wien, Universitas Teknologi Chalmers, Swedia, dan Universitas Malta telah menunjukkan bahwa trik khusus dapat digunakan untuk meningkatkan akurasi secara eksponensial. Titik penting adalah menggunakan dua skala waktu yang berbeda – mirip dengan bagaimana jam memiliki tangan kedua dan satu menit.
Apa sebenarnya jam itu?
“Kami telah menganalisis pada prinsipnya, jam mana yang mungkin secara teori mungkin,” kata Prof. Marcus Huber dari Atomic Institute di Tu Wien. “Setiap jam membutuhkan dua komponen: pertama, generator dasar waktu – seperti pendulum dalam jam pendulum, atau bahkan osilasi kuantum. Dan kedua, penghitung – elemen apa pun yang menghitung berapa banyak unit waktu yang ditentukan oleh generator basis waktu telah berlalu.”
Generator dasar waktu selalu dapat kembali ke keadaan yang persis sama. Setelah satu osilasi lengkap, pendulum jam pendulum adalah persis di tempat sebelumnya. Setelah sejumlah osilasi, atom cesium dalam jam atom kembali ke keadaan yang persis sama seperti sebelumnya. Penghitung, di sisi lain, harus berubah – jika tidak, jam tidak berguna.
“Ini berarti bahwa setiap jam harus terhubung ke proses yang tidak dapat diubah,” kata Florian Meier dari Tu Wien. “Dalam bahasa termodinamika, ini berarti bahwa setiap jam meningkatkan entropi di alam semesta; jika tidak, itu bukan jam.” Pendulum jam pendulum menghasilkan sedikit panas dan gangguan di antara molekul udara di sekitarnya, dan setiap balok laser yang membaca keadaan jam atom menghasilkan panas, radiasi dan dengan demikian entropi.
“Kita sekarang dapat mempertimbangkan berapa banyak entropi jam hipotetis dengan presisi yang sangat tinggi harus menghasilkan – dan, dengan demikian, berapa banyak energi yang dibutuhkan jam seperti itu,” kata Marcus Huber. “Sampai sekarang, tampaknya ada hubungan linier: jika Anda ingin presisi seribu kali, Anda harus menghasilkan setidaknya seribu kali lebih banyak entropi dan menghabiskan seribu kali lebih banyak energi.”
Waktu kuantum dan waktu klasik
Namun, tim peneliti di Tu Wien, bersama dengan Austria Academy of Sciences (Öaw) di Wina dan tim dari Universitas Teknologi Chalmers, Swedia, dan Universitas Malta, kini telah menunjukkan bahwa aturan yang jelas ini dapat dielakkan dengan menggunakan dua skala waktu yang berbeda.
“Misalnya, Anda dapat menggunakan partikel yang berpindah dari satu area ke area lain untuk mengukur waktu, mirip dengan bagaimana butiran pasir menunjukkan waktu dengan jatuh dari atas kaca ke bawah,” kata Florian Meier. Anda dapat menghubungkan serangkaian perangkat pengukur waktu seperti itu secara seri dan menghitung berapa banyak dari mereka yang telah melewati – mirip dengan bagaimana satu jam menghitung berapa banyak putaran yang telah diselesaikan oleh tangan jam lainnya.
“Dengan cara ini, Anda dapat meningkatkan akurasi, tetapi bukan tanpa menginvestasikan lebih banyak energi,” kata Marcus Huber. “Karena setiap kali satu jam melengkapi rotasi penuh dan tangan jam lainnya diukur di lokasi baru – Anda juga dapat mengatakan setiap kali lingkungan di sekitarnya memperhatikan bahwa tangan ini telah pindah ke lokasi baru – entropi meningkat. Proses penghitungan ini tidak dapat diubah.”
Namun, fisika kuantum juga memungkinkan untuk jenis transportasi partikel lain: partikel -partikel juga dapat melakukan perjalanan melalui seluruh struktur, yaitu di seluruh panggilan jam, tanpa diukur di mana saja. Dalam arti tertentu, partikel itu kemudian ada di mana -mana selama proses ini; Ia tidak memiliki lokasi yang jelas sampai akhirnya tiba – dan hanya dengan begitu benar -benar diukur, dalam proses yang tidak dapat diubah yang meningkatkan entropi.
Seperti tangan jam kedua dan menit
“Jadi kami memiliki proses cepat yang tidak menyebabkan entropi – transportasi kuantum – dan proses yang lambat, yaitu kedatangan partikel di bagian paling akhir,” jelas Yuri Minoguchi, Tu Wien. “Hal penting tentang metode kami adalah bahwa satu tangan berperilaku murni dalam hal fisika kuantum, dan hanya tangan lain, tangan lebih lambat yang benar-benar memiliki efek penghasil entropi.”
Tim sekarang telah mampu menunjukkan bahwa strategi ini memungkinkan peningkatan akurasi yang eksponensial per peningkatan entropi. Ini berarti bahwa presisi yang jauh lebih tinggi dapat dicapai daripada yang mungkin terjadi sesuai dengan teori sebelumnya. “Terlebih lagi, teorinya dapat diuji di dunia nyata menggunakan sirkuit superkonduktor, salah satu teknologi kuantum paling canggih yang saat ini tersedia.”, Kata Simone Gasparinetti, rekan penulis studi dan pemimpin tim eksperimental di Chalmers. “Ini adalah hasil penting untuk penelitian tentang pengukuran kuantum presisi tinggi dan penekanan fluktuasi yang tidak diinginkan,” kata Marcus Huber, “dan pada saat yang sama membantu kita untuk lebih memahami salah satu misteri fisika yang belum terpecahkan: hubungan antara fisika kuantum dan termodinamika.”
Publikasi asli
F. Meier et al., Presisi tidak dibatasi oleh hukum kedua termodinamika, fisika alam (2025)
