క్వాంటం గడియారం – మనకు సమయం స్థిరంగా, కనికరం లేకుండా ముందుకు సాగుతుంది. గోడపై గడియారం టిక్ చేయడం, డిజిటల్ డిస్‌ప్లేలో సెకనుల స్థిరంగా మార్చడం – అవి చాలా సుపరిచితమైన భావనలు, వాటికి ఆధారమైన భౌతిక ప్రక్రియలను పరిగణనలోకి తీసుకోవడం చాలా అరుదు.

దాని గుండె వద్ద, ఏదైనా గడియారం అనేది ఒక భౌతిక వ్యవస్థ, ఇది ఊహించదగిన విధంగా అభివృద్ధి చెందుతుంది, ఇది సమయం గడిచే రికార్డును సృష్టిస్తుంది. శాస్తవ్రేత్తలు ఇప్పుడు క్వాంటం రాజ్యంలో సాధ్యమైనంత చిన్న స్థాయిలో టైమ్‌కీపింగ్ అంటే ఏమిటో అన్వేషిస్తున్నారు మరియు వారి పరిశోధనలు సమయపాలనలో కొలత పాత్ర గురించి భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు ఎలా ఆలోచిస్తున్నారో మెరుగుపరుస్తాయి.

ఆస్ట్రియా, ఇటలీ, ఐర్లాండ్, స్విట్జర్లాండ్ మరియు UK పరిశోధకులచే నవంబర్ 14న ఫిజికల్ రివ్యూ లెటర్స్‌లో ప్రచురించబడిన ఒక అధ్యయనం క్వాంటం గడియారాన్ని నిర్మించడం మరియు విశ్లేషించడం ద్వారా ఈ ప్రపంచంలోకి ప్రవేశించింది. పరిశోధకులు తమ పేపర్‌లో ఆశ్చర్యకరమైన అంతర్దృష్టిని నివేదించారు: సమయాన్ని చదవడానికి గడియారాన్ని చూసే శక్తి ఖర్చు గడియారాన్ని మొదటి స్థానంలో టిక్ చేయడానికి అవసరమైన శక్తిని మించిపోతుంది. ఈ ఆవిష్కరణ, మరింత పరిశోధనలో తేలితే, ముఖ్యమైన చిక్కులను కలిగి ఉంటుంది – ఆప్టికల్ క్లాక్‌ల వంటి పరికరాలతో అల్ట్రా-కచ్చితమైన సమయపాలన భవిష్యత్తు కోసం అలాగే క్వాంటం టెక్నాలజీల అభివృద్ధికి మరియు విశ్వాన్ని అత్యంత ప్రాథమికంగా నియంత్రించే చట్టాలపై శాస్త్రవేత్తల అవగాహన.

పగిలిన గాజు పరిశోధకుల ప్రేరణను అర్థం చేసుకోవడం మొదట భౌతికశాస్త్రం నుండి ఎంట్రోపీ అని పిలువబడే ఒక ముఖ్యమైన భావనను మెచ్చుకోవాలి. ఇది తరచుగా వ్యావహారికంలో రుగ్మత యొక్క కొలతగా వర్ణించబడుతుంది.

అధికారిక పరంగా, ఎంట్రోపీ అనేది థర్మోడైనమిక్స్ యొక్క రెండవ నియమానికి అనుసంధానించబడి ఉంది, ఇది ఒక వివిక్త వ్యవస్థలో, ఎంట్రోపీ ఎల్లప్పుడూ పెరుగుతూ ఉంటుంది. ఈ కనికరంలేని పెరుగుదల సమయానికి దాని బాణాన్ని, దాని పరిణామ దిశను ఇస్తుంది. ఉదాహరణకు, పగిలిన గాజు పేన్ చెక్కుచెదరకుండా ఉన్న దాని కంటే ఎక్కువ ఎంట్రోపీని కలిగి ఉంటుంది మరియు ముక్కలు ఆకస్మికంగా తిరిగి కలపడాన్ని మనం ఎప్పటికీ చూడలేము.

ఇది కోలుకోలేని ప్రక్రియల యొక్క ఈ సూత్రం, ఇది గడియారాన్ని గతం యొక్క శాశ్వత రికార్డును సృష్టించడానికి అనుమతిస్తుంది, దానిని భవిష్యత్తు నుండి వేరు చేస్తుంది. అన్ని ఆచరణాత్మక ప్రయోజనాల కోసం, గడియారం కౌంటర్ ఎల్లప్పుడూ పెరుగుతుంది, ఇది గడియారాలు ఎల్లప్పుడూ ‘ఫార్వర్డ్’ అని టిక్ చేసే మన రోజువారీ అనుభవంతో సమలేఖనం చేస్తుంది. మన దైనందిన జీవితంలోని మాక్రోస్కోపిక్ స్కేల్‌లో, ఇది సూటిగా ఉంటుంది.

లోలకం యొక్క స్వింగ్ లేదా క్వార్ట్జ్ క్రిస్టల్ యొక్క కంపనాలు శక్తిని వినియోగించే మరియు ఎంట్రోపీని ఉత్పత్తి చేసే ప్రక్రియలు, గడియారం చేతులను ముందుకు నడిపిస్తాయి. కానీ క్వాంటం ప్రపంచంలో, విషయాలు అంత సులభం కాదు. క్వాంటం వ్యవస్థలు సంభావ్యత ద్వారా నిర్వహించబడతాయి మరియు వింత ప్రవర్తనలను ప్రదర్శిస్తాయి.

క్వాంటం ప్రక్రియల ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎంట్రోపీ మొత్తం సాధారణంగా శాస్త్రీయ ప్రక్రియల కంటే తక్కువ పరిమాణంలో ఉంటుంది. ఇది యాదృచ్ఛిక హెచ్చుతగ్గుల కారణంగా, క్వాంటం గడియారం క్లుప్తంగా ‘వెనుకకు’ టిక్ చేసే పరిస్థితులకు దారి తీస్తుంది.

ఇది సంభావిత ఉద్రిక్తతను ప్రదర్శిస్తుంది. గడియారం, దాని నిర్వచనం ప్రకారం, గతాన్ని భవిష్యత్తు నుండి విశ్వసనీయంగా వేరుచేసే తిరుగులేని పరికరం అయి ఉండాలి.

క్వాంటం వ్యవస్థ, దాని స్వాభావిక యాదృచ్ఛికత మరియు వెనుకబడిన దశలకు సంభావ్యతతో, నిజమైన గడియారం వలె ఎలా పని చేస్తుంది? క్వాంటం గడియారం యొక్క టిక్‌లు కొత్త అధ్యయనం యొక్క రచయితలు పరిష్కారం గడియారం యొక్క అంతర్గత మెకానిజం లేదా దాని గడియారంలో మాత్రమే కాకుండా, కొలత ప్రక్రియలోనే ఉంటుందని ఊహిస్తున్నారు. క్వాంటం సిస్టమ్ నుండి సమాచారాన్ని సంగ్రహించే చర్యను వారు ప్రతిపాదించారు – i. ఇ.

క్లాసికల్, రీడబుల్ రికార్డ్‌ను సృష్టించడానికి పేలులను గమనించడం – తప్పనిసరిగా ఎంట్రోపీని కూడా ఉత్పత్తి చేయాలి. క్వాంటం క్లాక్‌వర్క్ కూడా నిలిచిపోయినప్పటికీ, ఈ ‘పరిశీలన వ్యయం’ సమయం యొక్క ముందుకు ప్రవాహాన్ని అమలు చేసే తప్పిపోయిన భాగం కావచ్చు, బృందం గుర్తించింది.

కొత్త అధ్యయనానికి ప్రేరణ ఈ ఆలోచనను ప్రయోగాత్మకంగా పరీక్షించడం. అంతర్గత క్లాక్‌వర్క్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎంట్రోపీని మరియు కొలత ఉపకరణం ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎంట్రోపీని విడిగా కొలవగలిగే క్వాంటం గడియారాన్ని నిర్మించాలని బృందం లక్ష్యంగా పెట్టుకుంది. ఇది పరిశోధకులను నేరుగా ఈ రెండు ఖర్చులను సరిపోల్చడానికి మరియు క్వాంటం స్కేల్ వద్ద సమయపాలన ప్రక్రియకు ఏది మరింత ప్రాథమికమైనదో నిర్ణయించడానికి అనుమతిస్తుంది.

మైక్రోస్కోపిక్ క్లాక్‌వర్క్ మరియు దాని స్థూల కొలత ఉపకరణం ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎంట్రోపీ మధ్య పరస్పర చర్యను అన్వేషించడంలో ఇటువంటి ప్రయోగం మొదటిది. వారి క్వాంటం గడియారాన్ని గ్రహించడానికి, శాస్త్రవేత్తలు డబుల్ క్వాంటం డాట్ (DQD) అనే పరికరాన్ని ఉపయోగించారు. సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌లో మానవ నిర్మితమైన రెండు చిన్న ద్వీపాలను ఊహించండి, అవి ఒకేసారి ఒక అదనపు ఎలక్ట్రాన్‌ను మాత్రమే పట్టుకోగలిగేంత చిన్నవిగా ఉంటాయి.

ఇవి క్వాంటం చుక్కలు. (వారి ఆవిష్కర్తలకు 2023లో రసాయన శాస్త్రానికి నోబెల్ బహుమతి లభించింది.

) ఖచ్చితమైన వోల్టేజ్‌లను వర్తింపజేయడం ద్వారా, పరిశోధకులు ఒకే ఎలక్ట్రాన్ యొక్క కదలికను నియంత్రించగలరు, దీని వలన అది ఒక మూలం నుండి మొదటి చుక్కపైకి, తరువాత రెండవ చుక్కకు మరియు చివరకు కాలువలోకి వెళ్లేలా చేస్తుంది. (ఒక పెద్ద సర్క్యూట్‌లో క్వాంటం టన్నెలింగ్ యొక్క ప్రదర్శన 2025లో భౌతిక శాస్త్రానికి నోబెల్ బహుమతిని గెలుచుకుంది.) ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఈ వరుస కదలిక జట్టు గడియారంలో ఒకే టిక్‌గా ఏర్పడింది.

సమయాన్ని చదవడం DQD యొక్క స్థితి మూడు కాన్ఫిగరేషన్‌లలో ఒకటిగా ఉండవచ్చు: డాట్‌లో అదనపు ఎలక్ట్రాన్ ఉండదు (దీనిని మనం స్థితి 0 అని పిలుస్తాము), ఎడమ చుక్కపై ఎలక్ట్రాన్ (స్టేట్ L) లేదా కుడి చుక్కపై ఎలక్ట్రాన్ (స్టేట్ R). ఫార్వర్డ్ టిక్ అనేది పూర్తి చక్రం, ఉదాహరణకు 0 నుండి L నుండి R⟩ మరియు తిరిగి 0 వరకు, ఎలక్ట్రాన్ చుక్కలను దాటుతుంది. సమయాన్ని ‘చదవడానికి’, పరిశోధకులు DQD ఏ సమయంలో ఏ స్థితిలో ఉందో తెలుసుకోవాలి.

వారు సమీపంలోని ఛార్జ్ సెన్సార్‌ను ఉపయోగించి దీనిని సాధించారు – ఇది మరొక క్వాంటం డాట్, దీని విద్యుత్ లక్షణాలు DQDలోని ఎలక్ట్రాన్ యొక్క స్థానానికి సున్నితంగా ఉంటాయి. ఈ సెన్సార్ ద్వారా ప్రవహించే కరెంట్‌ను కొలవడం ద్వారా, వారు DQD 0, L లేదా R స్థితిలో ఉందో లేదో అంచనా వేయగలరు. అయితే, ఈ కొలత ప్రక్రియ ఉచితం కాదు: దీనికి శక్తి అవసరం మరియు అందువల్ల ఎంట్రోపీని ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

సెన్సార్‌ను చదవడానికి బృందం రెండు వేర్వేరు పద్ధతులను ఉపయోగించింది: డైరెక్ట్-కరెంట్ (DC) కొలత మరియు మరింత అధునాతన రేడియో-ఫ్రీక్వెన్సీ (RF) రిఫ్లెక్టోమెట్రీ టెక్నిక్. ఇది వాటిని పరిశీలించే చర్య ద్వారా వెదజల్లబడిన శక్తిని మార్చడానికి మరియు ఖచ్చితంగా కొలవడానికి అనుమతించింది, తద్వారా ఎంట్రోపీ ఉత్పత్తి అవుతుంది. గడియారం యొక్క టిక్ ద్వారా వెదజల్లబడే శక్తిని నిర్దేశించే DQD అంతటా వోల్టేజ్‌ను ఏకకాలంలో నియంత్రించడం ద్వారా, వారు క్లాక్‌వర్క్ మరియు ‘సమయాన్ని చదవడం’ రెండింటి యొక్క థర్మోడైనమిక్ ఖర్చులను స్వతంత్రంగా అధ్యయనం చేయవచ్చు.

తిరుగులేని మూలం ప్రయోగం యొక్క ఫలితాలు అద్భుతమైనవిగా అనిపించాయి. పరిశోధకులు మొదట గడియారం యొక్క ఖచ్చితత్వం మరియు దాని అంతర్గత పనితీరు ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎంట్రోపీ మధ్య సంబంధాన్ని పరిశీలించారు, అనగా.

ఇ. DQD. థర్మోడైనమిక్ సూత్రాల ద్వారా అంచనా వేసినట్లుగా, వారు మరింత ఖచ్చితమైన గడియారానికి – మరింత సాధారణ మరియు ముందుకు కదిలే పేలులతో కూడిన – మరింత ఎంట్రోపీ అవసరమని కనుగొన్నారు.

DQD సమతౌల్య స్థితికి తీసుకురాబడినప్పుడు, అక్కడ ఫార్వర్డ్ మరియు బ్యాక్‌వర్డ్ టిక్‌లు సమానంగా ఉండే అవకాశం ఉంది, క్లాక్‌వర్క్ ఎటువంటి నికర ఎంట్రోపీని ఉత్పత్తి చేయలేదు మరియు సమయం గడిచేటట్లు రికార్డ్ చేసే దాని సామర్థ్యం అదృశ్యమైంది. అయినప్పటికీ, పరిశోధకుల మరింత విశేషమైన దావా వారు కొలత ప్రక్రియ యొక్క ఎంట్రోపీ వ్యయాన్ని విశ్లేషించినప్పుడు ఉద్భవించింది. క్వాంటం గడియారం నుండి క్లాసికల్ టిక్‌లను వెలికితీసే ఎంట్రోపిక్ ఖర్చు ఆశ్చర్యకరమైన తొమ్మిది ఆర్డర్‌ల మాగ్నిట్యూడ్ ద్వారా ఆధిపత్య కారకంగా ఉందని వారు కనుగొన్నారు.

మరో మాటలో చెప్పాలంటే, గడియారాన్ని టిక్ చేయడానికి అవసరమైన శక్తిని బిలియన్ల కారకం ద్వారా మరుగుజ్జు చేసిన సమయంలో తెలుసుకోవడానికి శక్తి వెదజల్లుతుంది. పరికరాన్ని గడియారంగా మార్చే సమాచారాన్ని కొలత ప్రక్రియ సమర్థవంతంగా తిరిగి పొందగలదని కూడా బృందం చూపించింది.

ఎందుకంటే అంతర్గత గడియారం సమతుల్యతలో ఉన్నప్పుడు కూడా, i. ఇ.

ఎంట్రోపీని ఉత్పత్తి చేయకుండా, DQDని నిరంతరం పర్యవేక్షించే చర్య దాని స్థితి మార్పుల యొక్క తిరుగులేని, శాస్త్రీయ రికార్డును సృష్టించింది. కొలత పరికరం ద్వారా గణనీయమైన ఎంట్రోపిక్ ఖర్చుతో రూపొందించబడిన ఈ రికార్డు, సమయం గడిచేటట్లు అంచనా వేయడానికి పరిశోధకులను అనుమతించింది.

ఖచ్చితంగా, మీ ఇంట్లో కూడా, గోడపై ఉన్న పరికరం నుండి సమయాన్ని చదవడం వలన మీకు సమయ సమాచారాన్ని అందిస్తుంది, అది పరికరం యొక్క గుర్తింపును ‘గడియారం’గా కూడా చేస్తుంది. అయితే క్వాంటం గడియారం గురించిన ప్రత్యేకత ఇక్కడ ఉంది: DQD గడియారంలో, సమయపాలనకు అవసరమైన కోలుకోలేని ప్రధాన మూలం గడియారపు పని నుండి కాకుండా పరిశీలన చర్య నుండి వస్తుంది అని బృందం వారి ఫలితాలను సాక్ష్యంగా వివరించింది! ఈ పరిశోధనలు 2023లో వేరే సమూహం ద్వారా నివేదించబడిన వాటిని కూడా బలపరుస్తాయి: ‘గడియారాన్ని చదవడం’ అనేది క్వాంటం టైమ్‌కీపింగ్‌లో ఒక దురాక్రమణ ప్రక్రియ, దీనిని పెద్దగా పరిగణించలేము.

కొత్త అధ్యయనం 2023 అధ్యయనంలో నివేదించబడిన ఖచ్చితత్వం యొక్క అవగాహనను క్లిష్టతరం చేస్తుంది మరియు లోతుగా చేస్తుంది, ఇది కొలత ప్రభావం ఏకశిలా కాదు. ‘గడియారాన్ని మరింత తరచుగా చదవడం మంచిది’ బదులుగా, కొత్త అధ్యయనం మరింత సంక్లిష్టమైన వాస్తవికతను నివేదించినట్లు కనిపిస్తోంది: కొలత బలం మరియు ఖచ్చితత్వం మధ్య సంబంధం గడియారపు పనిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. సమయపాలన యొక్క భౌతిక శాస్త్రం అధ్యయనం యొక్క చిక్కులు చాలా దూరం కావచ్చు, ప్రాథమిక భౌతిక శాస్త్రం, మెట్రాలజీ (కొలత శాస్త్రం) మరియు క్వాంటం కంప్యూటింగ్ యొక్క భవిష్యత్తును తాకడం.

బహుశా అన్నిటికంటే ముఖ్యంగా, క్వాంటం సిస్టమ్ మరియు దాని క్లాసికల్ కొలత పరికరం మధ్య తరచుగా విస్మరించబడిన పరస్పర చర్య కేవలం సాంకేతిక వివరాలు మాత్రమే కాదని సూచిస్తుంది: ఇది భౌతిక శాస్త్రంలో ప్రధాన భాగం. గడియారం యొక్క పేలు యొక్క విస్తరణ మరియు కొలత ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎంట్రోపీ అనేది క్వాంటం స్కేల్ వద్ద సమయపాలన యొక్క అత్యంత ముఖ్యమైన మరియు ప్రాథమిక థర్మోడైనమిక్ ఖర్చు. కనీసం ఒక అంతరార్థం ఆచరణాత్మకంగా ఉంటుంది: ప్రస్తుత పరమాణు గడియారాలు – ఉనికిలో ఉన్న అత్యంత ఖచ్చితమైన సమయపాలన పరికరాలు – మరింత థర్మోడైనమిక్‌గా సమర్థవంతమైన కొలత వ్యవస్థలను రూపొందించడం ద్వారా మెరుగుపరచవచ్చు.

అంటే, పరిశీలన యొక్క ఎంట్రోపీ వ్యయాన్ని తగ్గించడం ద్వారా, మరింత ఖచ్చితమైన గడియారాలను సృష్టించడం సాధ్యమవుతుంది. కొత్త అధ్యయనం అన్వేషించిన సూత్రాలు కూడా గడియారాలకు మాత్రమే పరిమితం కాలేదు.

ఏదైనా క్వాంటం కంప్యూటర్ క్వాంటం స్థితులను ఖచ్చితంగా నియంత్రించడం మరియు కొలవగల సామర్థ్యంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. క్వాంటం సిస్టమ్ నుండి సమాచారాన్ని సంగ్రహించడంతో సంబంధం ఉన్న థర్మోడైనమిక్ ఖర్చులను అర్థం చేసుకోవడం ఇంజనీర్లకు సమర్థవంతమైన మరియు స్కేలబుల్ క్వాంటం యంత్రాలను రూపొందించడానికి కీలకం.

రచయితల విధానం క్వాంటం కొలతల శక్తి వ్యయంపై విస్తృతమైన పనిని అందిస్తుంది, ఇది చివరికి ఇంజనీర్లు క్వాంటం కంప్యూటర్‌లను ఎలా డిజైన్ చేస్తారో తెలియజేస్తుంది. చివరగా, కొంతమంది భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు అటువంటి ఫలితాలను మేము అనుభవించే స్పష్టమైన, ఏకదిశాత్మకమైన కాల ప్రవాహం కేవలం సూక్ష్మ ప్రపంచానికి చెందిన ఆస్తి కాకపోవచ్చునని సూచిస్తున్నారు. బదులుగా, ఇది మాక్రోస్కోపిక్ స్కేల్‌లో సమాచారాన్ని సంగ్రహించడం మరియు రికార్డ్ చేయడం వంటి ప్రక్రియ నుండి కొత్తగా ఉద్భవించే లక్షణం కావచ్చు.

శాస్త్రీయ సామెతలో, చూసిన కుండ ఎప్పుడూ ఉడకదు. ఈ క్వాంటం క్లాక్ ప్రయోగాలలో, కుండ ఖచ్చితంగా ఉడకబెట్టింది, కానీ దాని బుడగలను నమ్మదగిన స్టాప్‌వాచ్‌గా మార్చడం ఖరీదైనది.