2013 年、ポール アーカーという名前の物理学の修士課程の学生が、時計とは何かを説明するために教科書や論文をくまなく調べました。 「時間は時計が測定するものです」とアルバート・アインシュタインは有名な皮肉を言った。 Erker は、時計をより深く理解することで、時間の性質に関する新しい洞察が得られることを望んでいました.
しかし、彼は、物理学者が計時の基本についてあまり気にしていないことに気付きました。彼らは時間情報を当然のことと考える傾向がありました。 「私は、これまでの文献が時計を扱った方法に非常に満足していませんでした」とアーカーは最近言いました。
新進気鋭の物理学者は、時計とは何か、つまり時間を伝えるには何が必要かについて考え始めました。彼にはいくつかの最初のアイデアがありました。その後、2015 年に博士号取得のためにバルセロナに移りました。そこでは、マーカス・フーバーという名前の教授が率いる物理学者の幹部全員がアーカーの質問を取り上げました。 Huber、Erker、および彼らの同僚は、情報とエネルギーの流れに関する分野である量子情報理論と量子熱力学を専門としています。彼らは、量子コンピューターや量子エンジンなどの新しいテクノロジーを支えるこれらの理論的フレームワークが、時計を説明するための適切な言語を提供することにも気付きました。
「私たちは、実際には時計がサーマル マシンであることに気づきました」とフーバーは Zoom で説明し、ダーク ブロンドのドレッドヘアを黒の T シャツにかぶせました。エンジンと同様に、時計はエネルギーの流れを利用して仕事をし、その過程で排気ガスを生成します。エンジンはエネルギーを使って推進します。時計は時を刻むためにそれを使用します。
過去 5 年間、考えられる最も単純な時計の研究を通じて、研究者は計時の基本的な限界を発見してきました。彼らは、精度、情報、複雑さ、エネルギー、エントロピーの間の新しい関係を明らかにしました。宇宙で絶え間なく上昇する量は、時間の矢と密接に関連しています。
これらの関係は、オックスフォード大学の実験物理学者ナタリア・アレスと彼女のチームが新しい熱力学理論を強く支持するナノスケール時計の測定値を報告したこの春まで、純粋に理論的なものでした。
ハーバード大学の量子熱力学学者で、最近の時計の研究には関与していない Nicole Yunger Halpern は、それを「基礎的」と呼んだ。彼女は、この発見が、将来の量子コンピューターやナノロボットの動作を制御するための、最適に効率的で自律的な量子時計の設計につながる可能性があると考えています.
時計に対する新しい視点は、すでに時間そのものの議論に新たなネタを提供しています。 「この一連の作業は、基本的な方法で、量子論における時間の役割に取り組んでいます」と Yunger Halpern 氏は述べています。
オーストラリアのクイーンズランド大学の量子理論家で、時計の熱力学に関する研究について昨年レビュー論文を書いた Gerard Milburn 氏は、「人々はそれがどれほど基本的なものであるかを理解していないと思います」と述べています。
時計とは
最初に注意すべきことは、ほとんどすべてが時計であるということです。ごみは、臭いがひどくなる日々を告げます。しわは年を示します。 「コーヒー テーブルに置いたコーヒーの温度を測定することで、時間を知ることができます」と、現在ウィーン工科大学およびウィーン量子光学・量子情報研究所に在籍するフーバー氏は述べています。
バルセロナでの会話の早い段階で、Huber、Erker、およびその同僚は、時計とは不可逆的な変化、つまりエネルギーがより多くの粒子間またはより広い領域に広がる変化を経るものであることに気付きました。エネルギーは散逸する傾向があり、その散逸の尺度であるエントロピーは増加する傾向があります。単純に、エネルギーが高度に集中するよりも分散する方法がはるかに多いためです。この数値の非対称性と、エネルギーが宇宙の始まりに超集中状態で始まったという奇妙な事実が、エネルギーがますます分散した配列に向かって移動し、一度に 1 杯のコーヒー カップを冷却する理由です。
エネルギーの強い拡散傾向と結果として生じるエントロピーの不可逆的な上昇は、時間の矢を説明しているように見えるだけでなく、Huber と会社によると、それは時計の説明もしています。 「不可逆性は本当に根本的なものです」とフーバーは言いました。 「この視点の変化は、私たちが探求したかったものです。」
コーヒーは素晴らしい時計にはなりません。ほとんどの不可逆的なプロセスと同様に、周囲の空気との相互作用は確率的に発生します。これは、時間間隔を正確に推定するために、コーヒーと空気分子の間の多くのランダムな衝突を含めて、長い時間にわたって平均化する必要があることを意味します.コーヒーやゴミ、しわを時計と呼ばないのはこのためです。
時計の熱力学学者が認識したように、その名前は、周期性によって時間管理能力が強化されたオブジェクトに留保されています。不可逆的なプロセスが発生する瞬間の間の間隔を空ける何らかのメカニズムです。良い時計はただ変化するだけではありません。カチカチ音をたてます。
刻みが規則的であるほど、時計はより正確になります。 Physical Review X に掲載された最初の論文で 2017 年、Erker、Huber および共著者は、優れた計時には代償が伴うことを示しました。時計の精度が高ければ高いほど、より多くのエネルギーが散逸し、時を刻む過程でより多くのエントロピーが生成されます。
「時計はエントロピーの流量計です」とミルバーンは言いました。
完璧な周期で時を刻む理想的な時計は、無限のエネルギーを消費し、無限のエントロピーを生成しますが、これは不可能です。したがって、時計の精度は根本的に制限されています。
実際、Erker 氏とその会社は論文の中で、考えられる最も単純な時計である 3 つの原子からなる量子システムの精度を研究しました。 「熱い」原子は熱源に接続し、「冷たい」原子は周囲の環境に結合し、他の両方にリンクされた第 3 の原子は励起と崩壊を経て「ティック」します。エネルギーは熱源からシステムに入り、ダニを駆動し、廃棄エネルギーが環境に放出されるとエントロピーが生成されます。
研究者は、この 3 原子時計の刻みは、時計が生成するエントロピーが大きいほど規則的になると計算しました。時計の精度とエントロピーの間のこの関係は、エントロピーと情報の間の既知の関係に照らして、「直感的に理解できました」と Huber 氏は述べています。
正確に言えば、エントロピーは、粒子のシステムが取りうる配置の数の尺度です。これらの可能性は、エネルギーがより多くの粒子間でより均等に分散されると大きくなります。これが、エネルギーが分散するにつれてエントロピーが上昇する理由です。さらに、情報理論を確立した 1948 年の論文で、アメリカの数学者クロード シャノンは、エントロピーが逆に情報を追跡することも示しました。たとえば、データ セットに関する情報が少ないほど、そのエントロピーは高くなります。
「エントロピーと情報の間にはこの深いつながりがあります」とフーバーは言いました。そのため、時計のエントロピー生成の制限は、当然、「経過時間に関する情報」を含む情報の制限に対応するはずです.
Physical Review X に掲載された別の論文 今年の初め、理論家たちは複雑さを加えることで 3 原子時計モデルを拡張しました。つまり、時を刻む原子に接続された余分なホット原子とコールド原子です。彼らは、この追加の複雑さにより、時計が刻みが発生する確率をますます狭い時間枠に集中させ、それによって時計の規則性と精度を向上させることを示しました。
要するに、時間管理を可能にするのはエントロピーの不可逆的な増加であり、周期性と複雑性の両方が時計のパフォーマンスを向上させます。しかし、2019 年になるまで、チームの方程式を検証する方法や、単純な量子時計が私たちの壁にあるものと関係があるとすれば、それは明確ではありませんでした。
ティックの測定
その年の会議の夕食会で、Erker はオックスフォード大学の大学院生である Anna Pearson のそばに座っていた。ピアソンは、厚さ 50 ナノメートルの振動膜の研究に取り組みました。彼女の話の中で、彼女は、無線周波数のランダムな混合であるホワイトノイズで膜が刺激される可能性があると率直に述べました.膜に共鳴した周波数がその振動を駆動しました。
Erker にとって、ノイズは熱源のように見え、振動は時計のカチカチ音のように見えました。彼はコラボレーションを提案しました.
ピアソンのスーパーバイザーであるアレスは熱心でした。彼女はすでにミルバーンと膜が時計として機能する可能性について話し合っていましたが、精度の根本的な限界を含め、他の理論家によって導き出された新しい熱力学的関係については聞いていませんでした. 「私たちは『それは間違いなく測定できます』と言いました」とアレスは言いました。 「『エントロピー生成を測定できます!ダニを測定できます！」
振動膜は量子システムではありませんが、動きとエネルギーの使用を正確に追跡できるほど小さくシンプルです。 「回路自体のエネルギー散逸から、エントロピーがどれだけ変化するかを知ることができます」とアレスは言いました。
彼女と彼女のチームは、Erker と会社の 2017 年の論文からの重要な予測をテストすることに着手しました。それは、エントロピー生成と精度の間に線形関係があるはずです。この関係が、振動膜のようなより大きな古典的な時計に適用されるかどうかは不明でした。しかし、データが入ってきたとき、「最初のプロットを見て、すごい、この線形関係があると思いました」と Huber 氏は言います。
膜時計の振動の規則性は、システムに入力されたエネルギーの量と生成されたエントロピーの量を直接追跡しました。この調査結果は、理論家が導き出した熱力学的方程式が、計時装置に対して普遍的に成り立つ可能性があることを示唆しています。
ほとんどのクロックは、これらの基本的な制限に近づきません。それらは、時間を伝えるための最小エネルギーよりもはるかに多く燃焼します。コロラド州ボールダーの JILA 研究所で運用されているような、世界で最も正確な原子時計でさえ、「最小エネルギーの根本的な限界からはほど遠い」と JILA の物理学者である Jun Ye 氏は述べています。しかし、イェ氏は、「私たち時計メーカーは、量子情報科学を使用してより正確で正確な時計を作ろうとしています」と述べており、将来的には基本的な限界が重要になる可能性があります. Yunger Halpern は同意し、効率的で自律的なクロックが最終的に量子コンピューター内の操作のタイミングを制御し、外部制御の必要性をなくす可能性があることに注目しています。
実用性はさておき、アーカーの希望は学生時代から変わっていません。 「最終的な目標は、時間が何であるかを理解することです」と彼は言いました.
スムーズな注文
時間の謎の主要な側面の 1 つは、量子力学において、位置や運動量などの他の量と同じ役割を果たさないという事実です。物理学者は、「観測可能な時間」は存在しないと言っています。つまり、測定によって読み取ることができる量子粒子の正確な固有のタイムスタンプはありません。代わりに、時間は量子力学の方程式で滑らかに変化するパラメーターであり、他の観測量の進化を測る基準となります。
物理学者は、量子力学の時間が、アインシュタインの一般相対性理論 (現在の重力の記述) における 4 番目の次元としての時間の概念とどのように調和できるかを理解するのに苦労してきました。量子力学と一般相対性理論を調和させようとする現代の試みは、アインシュタインの理論の 4 次元時空構造を、より抽象的な量子情報によって作り出された一種のホログラムである創発的なものとして扱うことがよくあります。もしそうなら、時間も空間もおおよその概念であるはずです.
時計の研究は示唆に富んでおり、時間は不完全にしか測定できないことを示しています。ヒューバー氏は、「大きな問題」は、時計の精度に対する根本的な限界が、時間自体のスムーズな流れに対する根本的な限界を反映しているかどうか、つまり、コーヒーと空気分子の衝突などの確率論的事象が最終的に何時であるかということです。 .
「私たちが行ったことは、時間が量子システムの時間発展を支配する完全で古典的で滑らかなパラメーターであるとしても、確率的で不可逆的なプロセスを通じて、その経過を不完全に追跡することしかできないことを示すことです」とフーバーは言いました。 .これは一つの疑問を生むと彼は言った.これは確かに、簡単には却下できない興味深い可能性です。」
