Forstå de termodynamiske omkostninger ved tidtagning

Ure er vigtige byggesten i moderne teknologi, fra computere til GPS -modtagere. De er også hovedsageligt motorer, irreversibelt forbruger ressourcer for at generere præcise flåter. Men hvilke ressourcer skal der bruges for at opnå den ønskede nøjagtighed? I vores seneste undersøgelse, udgivet i Fysisk gennemgang X , vi besvarer dette spørgsmål ved at måle, for første gang, entropien genereret af et minimalt ur.

Mennesker har mestret kunsten at tage tid til en nøjagtighed på cirka et sekund i hvert hundrede millioner år. Imidlertid, de termodynamiske omkostninger ved tidtagning, dvs. dens entropiproduktion, har indtil nu været uudforsket.

Vores eksperiment afslører, at jo varmere uret er, jo mere nøjagtig tidtagningen, en forudsigelse, der kun forventes at gælde for kvantesystemer. At forstå de termodynamiske omkostninger ved tidtagning er et centralt skridt på vejen i udviklingen af ​​fremtidige teknologier, og forståelse og test af termodynamik, når systemer nærmer sig kvanteområdet.

I et samarbejde med prof. Marcus Huber på Atominstitut, TUWien, Dr. Paul Erker og Dr. Yelena Guryanova ved Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), og Dr. Edward Laird ved University of Lancaster, mine kollegaer, Dr. Anna Pearson og prof. Andrew Briggs, og jeg designede et klassisk ur, med indstillelig præcision, at måle entropiproduktion.

Vores ur består af en vibrerende membran integreret i et elektronisk kredsløb:hver oscillation af membranen giver et kryds. De ressourcer, der driver uret, er varmen, der tilføres membranen og det elektriske arbejde, der bruges til at måle det. I Operation, uret konverterer disse ressourcer til spild af varme, hvilket skaber entropi. Ved at måle denne entropi, vi kan derfor udlede mængden af ​​forbrugte ressourcer.

Ved at øge energien, eller "varme, "i indgangssignalet, vi var i stand til at øge vibrationernes amplitude og igen forbedre præcisionen af ​​membranmålingerne. Vores team fandt ud af, at entropiomkostningerne - anslået ved måling af den tabte varme i sondekredsløbet - steg lineært med præcisionen, i overensstemmelse med kvanteurets adfærd.

Vores eksperiment afslører de termodynamiske omkostninger ved tidtagning. Der er en sammenhæng mellem nøjagtigheden af ​​et ur og dets entropiproduktion; der er ikke noget, der hedder et ledigt minut - i hvert fald hvis du vil måle det.

For første gang, vi har vist en sammenhæng mellem nøjagtigheden af ​​et ur og dets entropiproduktion, som skønt stammer fra åbne kvantesystemer, gælder i vores nanoelektromekaniske system.

Vores resultater understøtter ideen om, at entropi ikke bare er en signatur af tidens pil, eller en forudsætning for måling af tidens gang men en grundlæggende grænse for urets ydeevne.

Forholdet mellem nøjagtighed og entropi kan bruges til at fremme vores forståelse af tidens natur, og relaterede begrænsninger i nanoskala motoreffektivitet.

Vores enhed kunne give os mulighed for at undersøge den særlige afvejning, der forudsiges mellem urnøjagtighed, som, som vi viste, er knyttet til tilgængelige termodynamiske ressourcer, og krydsfrekvens. Denne afvejning betyder, at for en given ressource, et ur kan have lav nøjagtighed og høj krydsfrekvens eller høj nøjagtighed, men lav krydsfrekvens.