이 작은 양자시계에는 수십억 배의 에너지 미스터리가 담겨 있습니다.

진자부터 원자 발진기에 이르기까지 전통적인 시계는 시간을 추적하기 위해 되돌릴 수 없는 프로세스에 의존합니다. 양자 수준에서 이러한 프로세스는 극도로 약해지거나 전혀 발생하지 않을 수 있으므로 신뢰할 수 있는 시간 유지가 훨씬 더 복잡해집니다. 정확한 타이밍에 의존하는 양자 센서 및 내비게이션 시스템과 같은 장치에는 에너지를 절약하는 내부 시계가 필요합니다. 지금까지 이러한 시스템의 열역학적 거동은 거의 알려지지 않았습니다.

시간의 실제 에너지 비용 조사

연구자들은 양자 영역에서 시간을 유지하는 데 따른 실제 열역학적 부담을 확인하고 측정 행위로 인해 발생하는 비용을 분리하기 시작했습니다.

이를 탐구하기 위해 그들은 두 개의 나노 크기 영역(이중 양자점으로 알려짐) 사이를 이동하는 단일 전자를 사용하는 작은 시계를 만들었습니다. 각 홉은 시계와 같은 틱 역할을 합니다. 그런 다음 팀은 두 가지 다른 기술을 사용하여 이러한 진드기를 모니터링했습니다. 하나는 극히 작은 전류를 측정했고, 다른 하나는 전파를 사용하여 시스템의 미묘한 변화를 감지했습니다. 두 접근 방식 모두에서 검출기는 양자 이벤트(전자 점프)를 기록할 수 있는 고전 정보(양자에서 고전으로의 전환)로 변환합니다.

수십억 배의 측정 에너지 놀라움

연구팀은 시계 자체(즉, 이중 양자점)와 측정 장치에서 생성된 엔트로피(소산되는 에너지의 양)를 계산했습니다. 그들은 양자 시계를 읽는 데(즉, 작은 신호를 측정 가능한 신호로 변환하는 데) 필요한 에너지가 시계 장치에서 사용하는 에너지보다 최대 10억 배 더 클 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 결과는 양자 물리학의 측정 ​​비용이 무시할 만하다는 오랜 믿음에 도전합니다. 이는 또한 놀라운 사실을 드러냅니다. 관찰은 비가역성을 도입하며, 이는 시간에 앞으로 나아갈 방향을 제시합니다.

이 발견은 양자 시계를 개선하려면 더 나은 양자 구성 요소가 필요하다는 일반적인 기대를 뒤집습니다. 대신 연구자들은 미래의 발전은 정보를 보다 효율적으로 수집하는 측정 방법을 설계하는 데 달려 있다고 주장합니다.

양자시계 설계의 효율성 재고

주저자 나탈리아 아레스(옥스퍼드대학교 공학과) 교수는 “가장 작은 규모로 작동하는 양자시계는 시간을 측정하는 데 드는 에너지 비용을 낮출 것으로 예상됐지만 우리의 새로운 실험은 놀라운 반전을 드러냈다. 대신 양자시계에서 양자 틱은 시계 장치 자체의 틱을 훨씬 초과했다”고 말했다.

연구자들에 따르면 이러한 불균형은 실제로 이점을 제공할 수도 있습니다. 측정 중에 사용되는 추가 에너지는 틱 수를 계산하는 것뿐만 아니라 모든 사소한 변동을 캡처하는 등 시계 동작에 대한 더 풍부한 정보를 제공할 수 있습니다. 이를 통해 보다 효율적으로 작동하는 고정밀 시계를 구축할 수 있습니다.

공동 저자인 Vivek Wadhia(공학과 박사 과정 학생)는 다음과 같이 말했습니다. “우리의 결과는 문헌에서 종종 무시되었던 시계 틱의 증폭 및 측정에 의해 생성된 엔트로피가 양자 규모에서 시간을 유지하는 데 가장 중요하고 기본적인 열역학적 비용임을 시사합니다. 다음 단계는 나노 규모 장치의 효율성을 지배하는 원리를 이해하여 자연처럼 시간을 훨씬 더 효율적으로 계산하고 유지하는 자율 장치를 설계할 수 있도록 하는 것입니다.”

공동 저자인 Florian Meier(Wien Technische Universität 박사 과정 학생)는 다음과 같이 말했습니다. “이 연구는 양자 시계를 넘어 시간이 왜 한 방향으로 흐르는지를 포함하여 물리학의 심오한 질문을 다룹니다. 시간의 방향을 결정하는 것은 단지 똑딱거림 자체가 아니라 측정 행위임을 보여줌으로써 이러한 새로운 발견은 에너지 물리학과 정보 과학 사이에 강력한 연결을 이끌어냅니다.”

이 연구에는 TU Wien과 Trinity College Dublin의 연구원도 참여했습니다.