تشير دراسة رياضية جديدة إلى أن حالة غير عادية من المادة تُعرف باسم البلورة الزمنية قد توفر طريقة أكثر استقرارًا وأبسط لقياس الزمن من خلال الساعة الكمومية.
ما الساعة الكمومية؟
إن ضبط الوقت بدقة متناهية أصعب بكثير مما يبدو. تعتمد أفضل الساعات في العالم، المستخدمة في أنظمة الملاحة عبر الأقمار الاصطناعية، والاتصالات الفضائية. أيضًا اختبار الفيزياء الأساسية، على ذرات وأشعة ليزر يتم التحكم بها بدقة متناهية.
فيما تظهر الدراسة أن البلورات الزمنية قد تتفوق، من حيث المبدأ، على تصميمات الساعات الكمومية التقليدية في الحفاظ على الدقة. لا سيما عند قياس فترات زمنية قصيرة للغاية.
جيث يشير مؤلفو الدراسة إلى أن “بلورات الزمن الكمومي هي في الواقع ساعات كمومية حقيقية ذات أداء محسَّن بفضل الكسر التلقائي لتناظر الإزاحة الزمنية. ببساطة، يعني تناظر الإزاحة الزمنية أن قوانين الفيزياء لا تتغير مع مرور الوقت.
الساعات الذرية
قبل الخوض في ما فعله الباحثون، من المهم أولاً فهم كيفية عمل أفضل الساعات اليوم.
تستخدم الساعات الذرية البصرية الحديثة أشعة الليزر لتبريد الذرات أو الأيونات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. ثم تعمل أشعة الليزر على إثارة الإلكترونات داخل هذه الذرات. دافعةً إياها إلى مستويات طاقة أعلى.
وعندما تعود الإلكترونات إلى مستوياتها الأصلية، فإنها تصدر ضوءًا بترددات محددة للغاية.
نظراً لأن هذه الترددات الضوئية مستقرة للغاية وأعلى بكثير من إشارات الميكروويف المستخدمة في الساعات الذرية القديمة. فإنها تسمح بقياسات زمنية أدق بكثير. ومع ذلك، هناك جانب سلبي.
في الوقت نفسه تتطلب هذه الأنظمة تشغيلاً خارجيًا مستمرًا، وأشعة ليزر قوية، وعزلاً دقيقًا عن الضوضاء البيئية. ويعد الحفاظ على هذا المستوى من الاستقرار أمراً بالغ الصعوبة من الناحية التقنية ويستهلك كميات كبيرة من الطاقة.
وأضاف مؤلفو الدراسة: “نظراً لمستوى التعقيد في بنية الساعة واستهلاكها للطاقة. فإن هذه الأجهزة تظهر مقايضات لا يزال توصيفها يمثل تحدياً مفتوحًا”.
البلورة الزمنية
تقدم البلورات الزمنية فكرة مختلفة. في الفيزياء، البلورة هي أي نظام ذو نمط متكرر في الفضاء. مثل الترتيب المنتظم للذرات في الملح أو الماس. أما البلورة الزمنية، فلا تتكرر في الفضاء بل في الزمن.
تتذبذب بنيتها الداخلية بإيقاع منتظم دون استهلاك الطاقة بشكل مستمر بالطريقة المعتادة.
وقد أثارت بلورات الزمن، التي تم إثباتها تجريبياً لأول مرة عام 2016، اهتمام الفيزيائيين لأن حركتها تبدو وكأنها تنبع من التفاعلات الداخلية للنظام نفسه.
بينما أراد مؤلفو الدراسة استكشاف ما إذا كان هذا الإيقاع المستدام ذاتيًا يمكن أن يكون بمثابة ساعة.
لاختبار ذلك، قاموا ببناء نموذج رياضي لنظام يحتوي على 100 جسيم كمومي. يمكن أن يكون كل جسيم في إحدى حالتي الدوران لأعلى أو لأسفل.
حتى مع هاتين الحالتين فقط، يمكن لـ 100 جسيم أن تتحد لتشكل عددًا هائلاً من ترتيبات الدوران الجماعي.
درس الباحثون كيفية تطور هذه الحالات المدمجة بمرور الوقت. وقاموا بتحليل مرحلتين تشغيليتين متميزتين للنظام.
الأولى كانت مرحلة تقليدية، حيث تتذبذب اللفات الجماعية فقط عند تحفيزها بواسطة مجال ليزر خارجي.
ثم جاءت المرحلة الزمنية البلورية، حيث يظهر نمط متكرر في السلوك الجماعي من تلقاء نفسه، دون إثارة خارجية مستمرة.
ثم قيّم الفريق مدى دقة كل مرحلة في قياس الوقت. عمليًا، تحققوا من مدى قدرة النظام على التمييز بين فترات زمنية أقصر فأقصر. ومع سعيهم نحو دقة أعلى، فقدت المرحلة التقليدية دقتها بسرعة، وتدهورت دقة الساعة.
في المقابل، ظلّ طور البلورة الزمنية أكثر استقرارًا بشكل ملحوظ. فقد وفّر إيقاعه الداخلي إشارة مرجعية أكثر ثباتًا في ظلّ الظروف نفسها.
ولذلك، تُظهر الدراسة بنجاح أن التذبذب الداخلي للبلورة الزمنية قد يُقاوم فقدان الدقة بشكل أفضل من الأنظمة المُشغّلة خارجيًا.
النتائج نظرية، وسيتطلب بناء ساعة بلورية زمنية عملية تقدماً تقنياً كبيراً. تتأثر الأنظمة الحقيقية بالضوضاء والعيوب والاضطرابات البيئية التي يصعب محاكاتها بدقة.
ومع ذلك، توفر الدراسة أساسًا رياضيًا قويًا يشير إلى أن بلورات الزمن يمكن أن تشكل يومًا ما أساسًا لنوع جديد من الساعات الكمومية .
وأخيرًَا، إذا تم تحقيق ذلك تجريبياً، فإن هذه الساعات يمكن أن تؤثر على العديد من التقنيات التي تتراوح من الاتصالات الآمنة إلى الملاحة المتقدمة.
المصدر: interestingengineering