क्वांटम घड्याळ – आमच्यासाठी वेळ हा एक स्थिर, अथकपणे पुढे जात आहे. भिंतीवरील घड्याळाची टिक टिक, डिजिटल डिस्प्लेवर सेकंदांची स्थिर कूच — या अशा परिचित संकल्पना आहेत की ज्या भौतिक प्रक्रियांचा विचार करणे आम्ही क्वचितच थांबवतो.

त्याच्या हृदयात, कोणतेही घड्याळ ही एक भौतिक प्रणाली आहे जी अंदाजे पद्धतीने विकसित होते, वेळ निघून गेल्याची नोंद तयार करते. शास्त्रज्ञ आता टाइमकीपिंगचा अर्थ सर्वात लहान प्रमाणात, क्वांटम क्षेत्रामध्ये शोधत आहेत आणि त्यांच्या निष्कर्षांमुळे टाइमकीपिंगमधील मोजमापाच्या भूमिकेबद्दल भौतिकशास्त्रज्ञ कसे विचार करतात हे सिद्ध करू शकतात.

ऑस्ट्रिया, इटली, आयर्लंड, स्वित्झर्लंड आणि यूके मधील संशोधकांनी 14 नोव्हेंबर रोजी भौतिक पुनरावलोकन पत्रांमध्ये प्रकाशित केलेला अभ्यास क्वांटम घड्याळ तयार करून आणि त्याचे विश्लेषण करून या जगाचा शोध लावला. संशोधकांनी त्यांच्या पेपरमध्ये एक आश्चर्यकारक अंतर्दृष्टी नोंदवली: वेळ वाचण्यासाठी फक्त घड्याळाकडे पाहण्यासाठी लागणारा ऊर्जेचा खर्च हा घड्याळाची घड्याळाची घडी बसवण्यासाठी लागणाऱ्या ऊर्जेपेक्षा जास्त असू शकतो. हा शोध, जर तो अधिक संशोधनात जन्माला आला असेल, तर त्याचे महत्त्वपूर्ण परिणाम होऊ शकतात – ऑप्टिकल घड्याळांसारख्या उपकरणांसह अति-अचूक टाइमकीपिंगच्या भविष्यासाठी तसेच क्वांटम तंत्रज्ञानाच्या विकासासाठी आणि शास्त्रज्ञांच्या विश्वाला सर्वात मूलभूतपणे नियंत्रित करणाऱ्या कायद्यांचे आकलन.

विस्कळीत काच संशोधकांची प्रेरणा समजून घेण्यासाठी प्रथम भौतिकशास्त्रातील एन्ट्रॉपी नावाच्या महत्त्वाच्या संकल्पनेचे कौतुक करणे आवश्यक आहे. याचे अनेकदा बोलचालीत डिसऑर्डरचे उपाय म्हणून वर्णन केले जाते.

औपचारिक भाषेत, एन्ट्रॉपी थर्मोडायनामिक्सच्या दुसऱ्या नियमाशी जोडलेली आहे, जे सांगते की एका वेगळ्या प्रणालीमध्ये, एन्ट्रॉपी नेहमी वाढू शकते. ही अथक वाढच काळाला बाण देते, उत्क्रांतीची दिशा देते. उदाहरणार्थ, काचेच्या तुटलेल्या उपखंडात अखंड असलेल्या एका पेक्षा जास्त एन्ट्रॉपी असते आणि आम्ही कधीच शार्ड्स उत्स्फूर्तपणे पुन्हा एकत्र होताना दिसणार नाही.

हे अपरिवर्तनीय प्रक्रियेचे हे तत्त्व आहे जे घड्याळाला भूतकाळातील चिरस्थायी रेकॉर्ड तयार करण्यास अनुमती देते, भविष्यापासून वेगळे करते. सर्व व्यावहारिक हेतूंसाठी, घड्याळाचा काउंटर नेहमी वाढतो, जो आपल्या दैनंदिन अनुभवाशी संरेखित करतो की घड्याळे नेहमी ‘पुढे’ टिकतात. आपल्या दैनंदिन जीवनाच्या मॅक्रोस्कोपिक स्केलवर, हे सरळ आहे.

पेंडुलमचे स्विंग किंवा क्वार्ट्ज क्रिस्टलची कंपने या अशा प्रक्रिया आहेत ज्या ऊर्जा वापरतात आणि एन्ट्रॉपी तयार करतात, घड्याळाचे हात पुढे करतात. पण क्वांटम जगात गोष्टी इतक्या सोप्या नाहीत. क्वांटम प्रणाली संभाव्यतेद्वारे नियंत्रित केली जाते आणि विचित्र वर्तन प्रदर्शित करू शकतात.

क्वांटम प्रक्रियांद्वारे उत्पादित एंट्रॉपीचे प्रमाण सामान्यतः शास्त्रीय प्रक्रियांपेक्षा कमी प्रमाणात असते. यादृच्छिक चढ-उतारांमुळे, क्वांटम घड्याळ थोडक्यात ‘बॅकवर्ड’ टिकू शकते अशी परिस्थिती उद्भवू शकते.

हे एक वैचारिक तणाव दर्शवते. घड्याळ, त्याच्या अगदी व्याख्येनुसार, एक अपरिवर्तनीय उपकरण असणे आवश्यक आहे जे भूतकाळापासून भविष्यातील विश्वसनीयरित्या वेगळे करते.

एक क्वांटम सिस्टीम, तिच्या अंतर्निहित यादृच्छिकतेसह आणि मागे जाण्याच्या संभाव्यतेसह, खरे घड्याळ कसे कार्य करू शकते? क्वांटम घड्याळाच्या टिक्स नवीन अभ्यासाच्या लेखकांनी असे गृहित धरले आहे की उपाय केवळ घड्याळाच्या अंतर्गत यंत्रणेत किंवा त्याच्या घड्याळाच्या कामात नाही तर मोजमाप प्रक्रियेतच आहे. त्यांनी प्रस्तावित केले की क्वांटम सिस्टममधून माहिती काढण्याची कृती — i. e

शास्त्रीय, वाचनीय रेकॉर्ड तयार करण्यासाठी टिक्सचे निरीक्षण करणे — देखील एन्ट्रॉपी तयार करणे आवश्यक आहे. हा ‘निरीक्षणाचा खर्च’ हा गहाळ तुकडा असू शकतो जो वेळेच्या पुढे प्रवाहाची अंमलबजावणी करतो, जरी क्वांटम क्लॉकवर्क स्वतःच थांबलेले असताना, टीमने शोधून काढले.

या कल्पनेची प्रायोगिक चाचणी करणे ही नवीन अभ्यासाची प्रेरणा होती. संघाचे एक क्वांटम घड्याळ तयार करण्याचे उद्दिष्ट होते जिथे ते अंतर्गत घड्याळाच्या कामाद्वारे तयार केलेली एन्ट्रॉपी आणि मापन यंत्राद्वारे तयार केलेली एन्ट्रॉपी स्वतंत्रपणे मोजू शकतात. यामुळे संशोधकांना या दोन खर्चांची थेट तुलना करता येईल आणि क्वांटम स्केलवर टाइमकीपिंग प्रक्रियेसाठी कोणता अधिक मूलभूत आहे हे निर्धारित करू शकेल.

मायक्रोस्कोपिक क्लॉकवर्क आणि त्याच्या मॅक्रोस्कोपिक मापन यंत्राद्वारे तयार केलेली एन्ट्रॉपी यांच्यातील परस्परसंवादाचा शोध घेणारा असा प्रयोग पहिला असेल. त्यांचे क्वांटम घड्याळ लक्षात येण्यासाठी, शास्त्रज्ञांनी दुहेरी क्वांटम डॉट (DQD) नावाचे उपकरण वापरले. सेमीकंडक्टर मटेरिअलमध्ये दोन लहान मानवनिर्मित बेटांची कल्पना करा, इतकी लहान की ते एका वेळी फक्त एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन धरू शकतात.

हे क्वांटम डॉट्स आहेत. (त्यांच्या शोधकर्त्यांना 2023 मध्ये रसायनशास्त्रासाठी नोबेल पारितोषिक देण्यात आले.

) तंतोतंत व्होल्टेज लागू करून, संशोधक एकाच इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीवर नियंत्रण ठेवू शकले, ज्यामुळे तो एका स्त्रोतापासून पहिल्या बिंदूवर, नंतर दुसऱ्या बिंदूपर्यंत आणि शेवटी नाल्याकडे जाऊ शकतो. (मोठ्या सर्किटमध्ये क्वांटम टनेलिंगच्या प्रात्यक्षिकाने 2025 मध्ये भौतिकशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक जिंकले.) इलेक्ट्रॉनच्या या अनुक्रमिक हालचालीने संघाच्या घड्याळाची एकच टिक बनवली.

वेळ वाचणे DQD ची स्थिती तीनपैकी एका कॉन्फिगरेशनमध्ये असू शकते: कोणत्याही बिंदूवर जास्त इलेक्ट्रॉन नाही (ज्याला आपण राज्य 0 म्हणू), डाव्या बिंदूवर एक इलेक्ट्रॉन (स्टेट एल) किंवा उजव्या बिंदूवर इलेक्ट्रॉन (स्टेट आर). फॉरवर्ड टिक हे पूर्ण चक्र आहे, उदाहरणार्थ 0 ते L ते R⟩ आणि परत 0 पर्यंत, जसे की इलेक्ट्रॉन ठिपके पार करतो. वेळ ‘वाचण्यासाठी’, संशोधकांना कोणत्याही क्षणी DQD कोणत्या स्थितीत आहे हे जाणून घेणे आवश्यक होते.

त्यांनी जवळच्या चार्ज सेन्सरचा वापर करून हे साध्य केले – जे आणखी एक क्वांटम डॉट होते ज्याचे विद्युत गुणधर्म DQD मधील इलेक्ट्रॉनच्या स्थानासाठी संवेदनशील होते. या सेन्सरमधून वाहणारा विद्युतप्रवाह मोजून, ते DQD स्थिती 0, L किंवा R मध्ये आहे की नाही हे काढू शकतात. ही मोजमाप प्रक्रिया, तथापि, मुक्त नव्हती: तिला ऊर्जा आवश्यक होती आणि त्यामुळे एन्ट्रॉपी तयार होते.

सेन्सर वाचण्यासाठी टीमने दोन वेगवेगळ्या पद्धती वापरल्या: डायरेक्ट-करंट (DC) मापन आणि अधिक अत्याधुनिक रेडिओ-फ्रिक्वेंसी (RF) रिफ्लेमेट्री तंत्र. यामुळे त्यांना निरीक्षणाच्या कृतीतूनच विरळलेली शक्ती आणि त्यामुळे निर्माण होणारी एन्ट्रॉपी बदलू शकली आणि अचूकपणे मोजता आली. एकाच वेळी डीक्यूडी वरील व्होल्टेज नियंत्रित करून, ज्याने घड्याळाच्या टिकीने नष्ट होणारी उर्जा निर्देशित केली, ते स्वतंत्रपणे घड्याळाच्या काटा आणि ‘वेळ वाचणे’ या दोन्हीच्या थर्मोडायनामिक खर्चाचा अभ्यास करू शकतात.

अपरिवर्तनीयतेचा स्त्रोत प्रयोगाचे परिणाम आश्चर्यकारक वाटले. संशोधकांनी प्रथम घड्याळाची सुस्पष्टता आणि त्याच्या अंतर्गत कार्यामुळे निर्माण होणारी एन्ट्रॉपी यांच्यातील संबंध तपासले, i.

e DQD. थर्मोडायनामिक तत्त्वांनुसार भाकीत केल्याप्रमाणे, त्यांना आढळले की अधिक अचूक घड्याळ — अधिक नियमित आणि पुढे-जाणाऱ्या टिक्ससह — अधिक एन्ट्रॉपी आवश्यक आहे.

जेव्हा DQD समतोल स्थितीत आणले गेले, जेथे पुढे आणि मागच्या बाजूच्या टिक्सची समान शक्यता होती, तेव्हा घड्याळाच्या काट्याने कोणतीही निव्वळ एन्ट्रॉपी तयार केली नाही आणि वेळ नोंदवण्याची त्याची क्षमता नाहीशी झाली. तथापि, संशोधकांनी मापन प्रक्रियेच्या एंट्रॉपी खर्चाचे विश्लेषण केले तेव्हा त्यांचा अधिक उल्लेखनीय दावा समोर आला. त्यांना आढळून आले की क्वांटम क्लॉकमधून शास्त्रीय टिक्स काढण्याची एन्ट्रोपिक किंमत आश्चर्यकारक नऊ ऑर्डरच्या परिमाणाने प्रबळ घटक आहे.

दुसऱ्या शब्दांत, घड्याळाची घड्याळ घडवण्यासाठी लागणारी उर्जा एक अब्जाच्या घटकाने किती वेळ कमी झाली हे शोधण्यासाठी ऊर्जा नष्ट झाली. कार्यसंघाने हे देखील दर्शविले की मोजमाप प्रक्रियेमुळे डिव्हाइसला घड्याळ बनवणारी माहिती प्रभावीपणे पुनर्प्राप्त केली जाऊ शकते.

याचे कारण असे की जेव्हा अंतर्गत घड्याळाचे काम समतोल होते, i. e

एन्ट्रॉपीची निर्मिती न करता, डीक्यूडीचे सतत निरीक्षण करण्याच्या कृतीने त्याच्या स्थितीतील बदलांची एक अपरिवर्तनीय, शास्त्रीय रेकॉर्ड तयार केली. मोजमाप यंत्राद्वारे महत्त्वपूर्ण एंट्रोपिक खर्चावर व्युत्पन्न केलेल्या या रेकॉर्डने संशोधकांना वेळ निघून गेल्याचा अंदाज लावू दिला.

नक्कीच, तुमच्या घरातही, भिंतीवरील उपकरणावरून वेळ वाचणे तुम्हाला वेळेची माहिती देते ज्यामुळे उपकरणाची ओळख देखील एक ‘घड्याळ’ बनते. परंतु क्वांटम घड्याळाबद्दल काय वेगळे आहे ते येथे आहे: टीमने त्यांच्या परिणामांचा पुरावा म्हणून अर्थ लावला की DQD घड्याळात, टाइमकीपिंगसाठी आवश्यक अपरिवर्तनीयतेचे प्रमुख स्त्रोत हे घड्याळाच्या कामातून नव्हे तर निरीक्षणाच्या कृतीतून येते! हे निष्कर्ष 2023 मध्ये वेगळ्या गटाने नोंदवलेल्या गोष्टींना बळकट करतात: ‘घड्याळ वाचणे’ ही क्वांटम टाइमकीपिंगमधील एक आक्रमक प्रक्रिया आहे जी गृहीत धरली जाऊ शकत नाही.

नवीन अभ्यास देखील 2023 च्या अभ्यासात नोंदवलेल्या अचूकतेची समज गुंतागुंती आणि गहन करते हे दर्शवून की मोजमापाचा प्रभाव अखंड नाही. ‘घड्याळ अधिक वेळा वाचणे चांगले’ याऐवजी, नवीन अभ्यास अधिक जटिल वास्तवाचा अहवाल देतो असे दिसते: मापन शक्ती आणि अचूकता यांच्यातील संबंध घड्याळाच्या कामावर अवलंबून असतो. टाइमकीपिंगचे भौतिकशास्त्र या अभ्यासाचे परिणाम दूरगामी असू शकतात, मूलभूत भौतिकशास्त्र, मेट्रोलॉजी (मापनाचे शास्त्र) आणि क्वांटम संगणनाचे भविष्य यांना स्पर्श करणारे असू शकतात.

कदाचित सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, हे सूचित करते की क्वांटम सिस्टीम आणि त्याचे शास्त्रीय मापन यंत्र यांच्यात वारंवार दुर्लक्ष केले जाणारे परस्परसंवाद हा केवळ तांत्रिक तपशील नाही: तो भौतिकशास्त्राचा एक मध्यवर्ती भाग आहे. क्वांटम स्केलवर टाइमकीपिंगचा सर्वात महत्वाचा आणि मूलभूत थर्मोडायनामिक खर्च आहे. किमान एक परिणाम संभाव्यतः व्यावहारिक आहे: वर्तमान अणु घड्याळे – जी अस्तित्वात असलेली काही सर्वात अचूक टाइमकीपिंग उपकरणे आहेत – अधिक थर्मोडायनामिकली कार्यक्षम मापन प्रणाली डिझाइन करून सुधारली जाऊ शकतात.

म्हणजेच, निरीक्षणाची एन्ट्रॉपी किंमत कमी करून, अधिक अचूक घड्याळे तयार करणे शक्य होऊ शकते. नवीन अभ्यासाने शोधलेली तत्त्वे देखील केवळ घड्याळांपुरती मर्यादित नाहीत.

कोणताही क्वांटम संगणक क्वांटम स्थिती अचूकपणे नियंत्रित आणि मोजण्यात सक्षम असण्यावर अवलंबून असेल. क्वांटम सिस्टीममधून माहिती काढण्याशी संबंधित थर्मोडायनामिक खर्च समजून घेणे अभियंत्यांना कार्यक्षम आणि स्केलेबल क्वांटम मशीन डिझाइन करण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.

लेखकांचा दृष्टीकोन क्वांटम मापनांच्या ऊर्जेच्या खर्चावर कामाच्या विस्तृत ओळीत फीड करतो, जे शेवटी अभियंते क्वांटम संगणक कसे डिझाइन करतात याची माहिती देऊ शकतात. शेवटी, काही भौतिकशास्त्रज्ञ अशा परिणामांचा अर्थ असे सुचवतात की आपण अनुभवत असलेला काळाचा स्पष्ट, दिशाहीन प्रवाह हा केवळ सूक्ष्म जगाचाच गुणधर्म असू शकत नाही. त्याऐवजी, हे एक वैशिष्ट्य असू शकते जे मॅक्रोस्कोपिक स्केलवर माहिती काढण्याच्या आणि रेकॉर्ड करण्याच्या प्रक्रियेतून पुन्हा उदयास येते.

शास्त्रीय म्हणीमध्ये, पाहिलेले भांडे कधीही उकळत नाही. या क्वांटम क्लॉक प्रयोगांमध्ये, भांडे नक्कीच उकळते, परंतु त्याचे बुडबुडे विश्वसनीय स्टॉपवॉचमध्ये बदलणे महाग होते.