.A framework for realizing a microscopic, highly precise and energy-efficient quantum clock
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.A framework for realizing a microscopic, highly precise and energy-efficient quantum clock
미세하고 고정밀이며 에너지 효율적인 양자 시계를 실현하기 위한 프레임워크
Ingrid Fadelli , Phys.org 작성 Stephanie Baum 편집 , Robert Egan 검토 편집자 주 링 시계. 출처: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02929-2
지난 수십 년 동안 물리학자들은 매우 짧은 시간 동안 전개되는 물리적 과정의 지속 시간을 신뢰성 있게 측정하고 다양한 이론적 예측을 검증하기 위해 점점 더 정교하고 정밀한 시계를 개발하고자 노력해 왔습니다. 여기에는 양자 역학의 원리를 활용하여 매우 높은 정밀도로 시간을 측정하는 시간 측정 시스템인 소위 양자 시계가 포함됩니다. 2023년 비엔나 양자열역학 학회(QTD)에서 만난 빈 공과대학교(TU Wien), 오스트리아 과학 아카데미, 찰머스 공과대학교, 몰타 대학교 연구팀은 정확한 시간을 유지하면서도 에너지 소모를 크게 줄일 수 있는 새로운 미세 양자 시계를 개발하기 위한 연구에 착수했습니다. 이 시계 개발 프레임워크는 Nature Physics 에 게재된 논문에 제시되었습니다 .
논문의 수석 저자인 마커스 후버는 Tech Xplore와의 인터뷰에서 "가장 중요한 원리는 시계의 정밀도와 분해능을 (새롭고 진정한 양자 방식으로) 절충할 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다. "모래시계처럼, 모래알 하나하나를 틱으로 사용하는 대신 충분한 양의 모래가 떨어질 때까지 기다릴 수 있습니다. 그 결과 시간 단위는 더 정확하게 계산될 수 있지만, 더 오래 기다려야 하는 단점이 있습니다. 예를 들어, 래칫이 초침을 움직이고 초침이 분침을 움직이는 기계식 시계에도 같은 원리가 적용될 수 있습니다. 하지만 이러한 모든 근본적인 사건(모래알, 초침, 원자 전이로 안정화된 레이저의 전자기장 탐침 등)에는 열역학적 비용이 따릅니다.
돌이킬 수 없는 사건이 발생할 때마다 시간 측정 기술에서 에너지가 소모됩니다. 따라서 시계의 정확도를 높이려면 엔트로피(무질서 또는 무작위성)도 높여야 합니다. 고전 시계의 정밀도와 대부분의 단순 양자 시계의 정밀도 사이의 관계는 선형적입니다. 즉, 정밀도를 두 배로 높이려면 엔트로피 손실(즉, 사용 가능한 에너지의 비가역적 손실)도 두 배로 증가해야 합니다. "우리 양자 다체시계의 주요 특징은 이러한 근본적인 사건들을 일관되게 전송할 수 있다는 점이며, 그 과정에서 되돌릴 수 없는 사건을 생성하지 않는다는 것입니다."라고 Huber는 말했습니다. "마치 시계의 초침이 관찰되지 않고 방해받지 않고 움직이는 것처럼, 분침의 정확도는 패스를 완료함으로써 증가합니다. 이러한 방식으로, 일관적인 양자 다체시계 전송은 (적어도 고전적으로 관찰되었을 사건의 수에 대해 대수적으로만) 거의 엔트로피 없이 정확도를 증가시킵니다."
후버와 그의 동료들이 도입한 양자 시계 설계의 특징적인 특징은 양자 상태의 파동적 전달인 소산 없는 결맞음 양자 수송에 의존한다는 것입니다. 이를 통해 이전에 도입된 양자 시계보다 훨씬 적은 엔트로피를 소산시켜 에너지 효율을 높일 수 있습니다. "결과적으로, 양자 시계 바늘이 한 번 회전할 때 발생하는 에너지 손실은 고전 시계보다 훨씬 적습니다. 고전 시계 바늘은 움직이는 동안 계속해서 엔트로피를 생성합니다."라고 논문의 주저자인 플로리안 마이어는 설명했습니다. 이 연구팀이 제안한 양자 시계 설계는 시간 계측 장치의 정밀도를 높이면 에너지 소모가 증가한다는 오랜 가정에 도전합니다. 이는 향후 초정밀이면서도 에너지 효율적인 양자 시간 계측 시스템 구현에 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다. "현재 최첨단 시계의 성능을 저해하는 주요 요인은 발열이 아닙니다."라고 마이어는 말했습니다.
"하지만 시계 기술이 계속 발전함에 따라 발열이 정밀도에 영향을 미치는 중요한 요소가 될 수 있는 시점에 접근하고 있습니다. 고전적인 컴퓨팅에서 유용한 비유를 찾아볼 수 있습니다. 오랫동안 열 발열은 무시할 수 있는 수준으로 여겨졌지만, 방대한 양의 정보를 처리하는 오늘날의 데이터 센터에서는 실질적인 측면에서 중요한 문제가 되었습니다. 마찬가지로, 고정밀 시계의 특정 응용 분야에서도 발열이 결국 한계에 부딪힐 것으로 예상합니다." 연구진은 소실이 양자 시계의 정밀도 향상에 불가피한 한계를 초래할 것이라고 예측하지만, 이 논문에서는 향후 소실을 최소화하는 데 도움이 될 수 있는 기본적인 물리 원리를 제시합니다. 후버, 마이어, 그리고 동료들은 다음 연구의 일환으로 양자 시계의 시제품을 실험 환경에서 테스트하여 그 잠재력을 더욱 검증하고자 합니다. "찰머스 연구팀은 현재 조셉슨 접합 기반 초전도 회로를 사용하여 이러한 프로토타입을 개발하고 있습니다."라고 현재 양자 시계의 실험적 구현을 연구 중인 팀의 수석 저자 시몬 가스파리네티는 말했습니다.
"이 회로는 IBM이나 구글과 같은 기업들이 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용하는 회로와 유사합니다. 이러한 회로를 기반으로 양자 시계를 구현하려면 다른 접근 방식이 필요하지만, 논문에서 제시된 기하급수적 이점을 개념 증명으로 입증하는 것은 저희 기술로 충분히 가능할 것이라고 확신합니다." 시간과 열역학을 다체 효과(예: 여기의 결맞음 전달)와 연결함으로써, 이 연구진의 연구는 나노스케일 열역학 분야에서 양자 효과를 활용할 수 있는 광범위한 가능성을 제시합니다.
향후 연구의 일환으로, 연구
진은 실험 환경에서 양자 시계 설계의 장점을 더욱 입증하고자 합니다. 후버는 "우리는 양자 소자의 직접적인 시간적 제어를 위해 이러한 고정밀 자율 프로세스를 사용하는 것과 동시에 실험적 구현을 모색하고, 이를 통해 소실을 방지하고 싶습니다."라고 덧붙였다. 저자 잉그리드 파델리가 직접 작성하고 , 스테파니 바움이 편집하고 , 로버트 이건 이 사실 확인 및 검토한 이 기사는 인간의 세심한 노력의 결과물입니다.
독립적인 과학 저널리즘을 유지하기 위해 여러분과 같은 독자 여러분의 도움이 필요합니다. 이 기사가 도움이 되신다면 기부를 고려해 주세요(특히 월간 기부). 감사의 표시로 광고 없는 계정을 제공해 드립니다 . 추가 정보: Florian Meier 외, 『정밀도는 열역학 제2법칙에 의해 제한되지 않는다』, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02929-2 . 저널 정보: Nature Physics
https://techxplore.com/news/2025-06-framework-microscopic-highly-precise-energy.html
메모 2506150556_소스1.분석중【】
지난 수십 년 동안 물리학자들은 매우 짧은 시간 동안 전개되는 물리적 과정의 지속 시간을 신뢰성 있게 측정하고 다양한 이론적 예측을 검증하기 위해 점점 더 정교하고 정밀한 시계를 개발하고자 노력해 왔다.
꿈의 시계는 실현될까? 우주의 시간으로 우리를 어디로 데리고 가 줄수 있나? 시간을 변하고 늘릴 수 있다고 아인쉬타인은 상대성 이론으로 말한다. 그 시간들이 이미징에 불과하다면 우리가 본 제임스웹의 심우주 이미지로 이미 수천억 광년을 실제로 이동한 것일 수도 있다. 그 이치를 시간의 tic으로 나는 설명한다
_[1】충분한 양의 모래알 처럼 이는 msbase.nk는 모래시계로 틱을 사용될 수 있다. 하나씩 1/nk2(16)로 밀어내는 것이다.
그러면 시계가 흐르는 것을 어떻게 알까? 이미지가 순간적으로 변한다. 주변에 먼 광원이 있고 경치가 있다면 그림자가 변하듯..
보기1.에서는 그로 인하여, nk가 밀려나가는 순서대로 초침은 01/16.tic이 발생하는데 분침은 01/672.image.tic이 나타나고 시침은 1/16×672.tic이 순간에 나타난다.
보기1.
=>image.tic의 상수 02030509
01020304_0203
05060708_05
09101112_09
13141516
=>sec.tic
02030405
06070809
10111213
14151617
=>순간적으로 1구골로 밀려난다면 sec.tic은 상상하기 어려운 속도로 모래알 시계 nk2(16)를 만들어낸다. 그 정확도는 절대적으로 완벽하다. 여기에 들어간 에너지는 전혀 없다.
1-2.editor
돌이킬 수 없는 사건이 발생할 때마다 시간 측정 기술에서 에너지가 소모된다. 따라서 시계의 정확도를 높이려면 672 이미징 생성의 색상환 밀도의 엔트로피(무질서 또는 무작위성)도 높여야 한다.
1-3.editor
여기서의 양자 상수의 다체시계의 주요 특징은 이러한 근본적인 사건들을 일관되게 이미지를 전송할 수 있다는 점이며, 그 과정에서 되돌릴 수 없는 사건을 생성하지 않는다는 것이다.
2.editor
nk.tic 양자 시계 설계의 특징적인 특징은 양자 상태의 파동적 전달인 소산 없는 결맞음 이미징 양자 수송에 의존한다. 672 이미지의 색상환, 그림자들의 명암 등등 이를 통해 이전에 도입된 양자 시계보다 훨씬 적은 tic 엔트로피를 소산시켜 에너지 효율을 높일 수 있다.
시간이 아무리 빠르게 흘러도 주변경치의 그림자 정보량(초점의 => tic 이동거리)이 늘어나도 전혀 발열되지 않는다.
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