Bryder termodynamiske grænser: Fremtiden for tidsmåling

En ny undersøgelse afslører, at nøjagtigheden af kvanteeffekter¹ er bedre end forventet. Denne undersøgelse kommer, mens forskere fra TU Wien og samarbejdspartnere bruger kvantemetrologi til atomuret.

Et atomur bruger kvanteegenskaberne ved atomer til at måle tid langt mere præcist end konventionelle ure. Disse mest præcise tidsmålere i verden er kendt for deres hidtil usete nøjagtighed ved at bruge laser til at måle atomernes vibrationer, som oscillerer med en konstant frekvens.

Men når det kommer til de grundlæggende love i kvantefysik, er der altid en vis usikkerhed, så en vis mængde statistisk støj forventes og skal accepteres. Denne støj eller tilfældighed sætter en grænse for den opnåede nøjagtighed.

Så atomure kunne være endnu mere præcise, og hvis de kan måle atomvibrationer mere nøjagtigt, ville de være følsomme nok til at identificere fænomener som mørkt stof og hjælpe med at besvare spørgsmål som hvilken effekt tyngdekraften kan have på tidens forløb.

Interessant nok menes det, at for at et atomur skal være mere præcist, kræver det mere energi for at opnå den præcision.

I 2021 rapporterede et eksperiment² en grænse for urenes nøjagtighed, hvor naturen pålægger en grundlæggende energikost for at holde tiden. Ifølge forskningen forbruger ure, der måler tid mere præcist, mere energi end deres mindre præcise modparter.

Med et centralt princip i termodynamik er, at energi altid strømmer fra varme objekter til kolde, så at vende denne strøm (som i et køleskab) betyder, at vi skal betale for det et andet sted.

Så et ur, der kræver mindst dobbelt så meget energi for at være dobbelt så præcist, synes at være en uforanderlig lov, indtil nu.

Et hold af forskere fra TU Wien, University of Malta og Chalmers University of Technology har vist, at ved at bruge særlige tricks kan vi øge nøjagtigheden eksponentielt.

Det centrale punkt her er at bruge to forskellige tids‑skalaer, ligesom et almindeligt ur har en minut‑ og en sekundviser.

Hvordan kvantefysik omdefinerer entropiomkostningen ved tid

Fysiske enheder, der opererer uden for ligevægt, påvirkes af termiske fluctuationer (tilfældige afvigelser fra et systems gennemsnitstilstand), som begrænser nøjagtigheden af deres funktion. Dette problem er mere mærkbart på små og kvante skalaer, hvor vi har brug for entropi‑dissipation for at afbøde det.

I tilfældet med ure kræves en termodynamisk strøm mod ligevægt for at måle tid, hvilket resulterer i en minimums entropi‑dissipation pr. tik.

Selvom både klassiske og kvante‑modeller har tendens til at vise en lineær sammenhæng mellem præcision og dissipation, er forholdet stadig ikke så klart.

I jagten på de mest præcise atombaserede ure, som potentielt kan overgå til nukleare energikilder i fremtiden, er disse omkostninger ikke den mest presserende bekymring, men for små, selvstændige kvantekontroller er det præcise forhold mellem dissipation og præcision potentielt en praktisk bekymring.

Med dette i tankerne har forskerne nu præsenteret en autonom kvanteur‑model, der har opnået en præcision, der skalerer eksponentielt med entropi‑dissipation.

Denne præstation muliggøres af koherent transport i en spinkæde med tilpassede koblinger, hvor entropi‑dissipation er begrænset til et enkelt link, ifølge studiet. Resultaterne viser, at koherent kvante‑dynamik kan overstige præcisionsgrænserne for traditionel termodynamik, hvilket potentielt kan hjælpe udviklingen af fremtidige lav‑dissipations, højpræcisions kvante‑enheder.

“Vi har analyseret i princippet, hvilke ure der teoretisk kunne være mulige.”

– Professor Marcus Huber fra Atomic Institute ved TU Wien

Han forklarede, at et ur har to komponenter. Den første er en tidsbaseret generator, som en kvante‑oscillation eller en pendul. Den anden er en tæller, som er et element, der tæller de tidsenheder, som defineret af tidsbasen generatoren, der er passeret.

Tidsbasen generatoren vender altid tilbage til præcis den samme tilstand, eller pendulet er præcis hvor det var før det fuldførte en oscillation.

I et atomur vender cesiumatomet tilbage til den helt samme tilstand som før, efter et bestemt antal oscillationer. Tælleren skal dog ændre sig for at uret skal være brugbart.

“Dette betyder, at hvert ur skal være forbundet til en irreversibel proces. I termodynamikkens sprog betyder det, at hvert ur øger entropien i universet; ellers er det ikke et ur.”

– Florian Meier fra TU Wien

I et pendulur genererer pendulet noget varme og uorden blandt luftmolekylerne omkring det. I et atomur genererer hver laserstråle, der læser urens tilstand, også varme samt stråling og dermed entropi. Ifølge Marcus Huber:

“Vi kan nu overveje, hvor meget entropi et hypotetisk ur med ekstremt høj præcision skulle generere – og i overensstemmelse hermed, hvor meget energi et sådant ur ville have brug for. Indtil nu syntes der at være en lineær sammenhæng: hvis du vil have tusind gange præcision, skal du generere mindst tusind gange så meget entropi og bruge tusind gange så meget energi.”

Men holdet fra TU Wien, i samarbejde med forskere fra University of Malta, Chalmers University of Technology og den Østrigske Videnskabsakademi (ÖAW) har nu demonstreret, at denne såkaldte regel kan omgås ved at bruge to forskellige tids‑skalaer.

For eksempel, som Meier delte, kan partikler, der bevæger sig fra et område til et andet, bruges til at måle tid, ligesom sandkorn gør ved at falde fra toppen af et glas til bunden.

En række af sådanne tidsmåle‑enheder kan forbindes i serie, og så kan du tælle, hvor mange af dem der allerede er passeret igennem. Dette ville være lignende hvordan den større urskive tæller antallet af omgange den mindre urskive allerede har gennemført.

“På denne måde kan du øge præcisionen, men ikke uden at investere mere energi,” sagde Marcus Huber. “Fordi hver gang en urskive fuldfører en hel rotation og den anden urskive måles på en ny position – du kan også sige hver gang miljøet omkring den bemærker, at denne skive er flyttet til en ny position – så øges entropien. Denne tælleproces er irreversibel.”

Endnu en slags partikeltransport tilladt af kvantefysik er at rejse gennem hele strukturen. Her rejser partikler over urets skive uden at blive målt.

Under denne proces er partiklens position i en vis forstand overalt uden en klart defineret placering, indtil den faktisk ankommer til sidst. Det er da, at partikkelen måles i en proces, der er irreversibel og øger entropi.

Så holdet har to processer: en hurtig, der ikke resulterer i entropi eller kvante‑transport, og den anden, hvor partiklerne ankommer til den helt sidste.

“Det afgørende ved vores metode er, at den ene skive opfører sig udelukkende i kvantefysikkens termer, mens kun den anden, langsommere skive faktisk har en entropi‑genererende effekt.”

– Yuri Minoguchi fra TU Wien

Holdet har demonstreret, at strategien tillader en betydelig stigning i præcision med hver stigning i entropi, så højere præcision end tidligere antaget muligt kan opnås.

“Desuden kunne teorien testes i den virkelige verden ved brug af superledende kredsløb, en af de mest avancerede kvanteteknologier, der er tilgængelige i dag.”

– Studie‑medforfatter Simone Gasparinetti, som er leder af det eksperimentelle hold på Chalmers

Huber kaldte dette et afgørende resultat for forskning i højt præcise kvantemålinger samt undertrykkelse af uønskede fluktuationer. Desuden hjælper forskningen, bemærkede Huber, “os med bedre at forstå en af fysikkens store mysterier: forbindelsen mellem kvantefysik og termodynamik.”

Klik her for at lære, hvordan thorium driver ultra‑præcise nukleare ure.

Den fremtidige indvirkning af kvante‑tidsmåling på menneskeheden

En af de mest værdifulde ressourcer for os mennesker er tid, som er begrænset og irreversibel. Tid er grundlæggende for vores eksistens og fremgang.

For at holde styr på vores tid udviklede folk kalendere, og efterhånden som samfundene blev mere komplekse og teknologiske, blev det vigtigere at have præcis tidsmåling.

Tidsmåling kræver noget, der oscillerer med et stabilt slag, samt noget, der tæller disse slag og viser tiden.

Dette førte til udviklingen af ure, som med tiden blev mere sofistikerede med penduler og kvartsoscillatorer.

Fra armbåndsure til ure brugt på satellitter, bruger de fleste moderne ure stadig tid ved hjælp af en kvartskrystaloscillator. Når en spænding påføres oscillatorn, vibrerer den med en præcis frekvens, som fungerer som pendulet i et pendulur og tæller den forløbne tid.

Problemet var, at ingen to ure var ens. Og efterhånden som verden blev mere integreret, var der behov for en ensartet og præcis måde at måle tid på. Et atomur var en naturlig løsning.

Drømmen om atomuret startede faktisk for mere end et århundrede siden, da forskerne James Maxwell og William Thompson foreslog idéen.

Atomer er de grundlæggende byggesten i al materie. I atomernes kerne findes protoner og neutroner, omgivet af elektroner, som kan variere i antal. Elektronerne er arrangeret i distinkte energiniveauer, der kredser i cirkulære baner omkring kernen.

Når atomer absorberer og udsender lysbølger med specifikke frekvenser, konkluderede forskerne, at atomer af et bestemt element er identiske med hinanden og aldrig ændrer sig, så frekvenserne af lys, de absorberer og udsender, heller ikke bør ændre sig.

Selvom idéen først opstod i slutningen af det 19. århundrede, blev et atomur først udviklet meget senere.

Som det ofte sker, fungerer krig som en kraftfuld katalysator for videnskabelige og teknologiske fremskridt. Det var krigen, der førte til opfindelser som mikrobølgeovnen, GPS, computere og mere, som i dag har dybe indvirkninger på vores daglige liv.

Atomuret kom også på dette tidspunkt. I 1939 foreslog fysikeren Isidor Rabi, at forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) (National Bureau of Standards (NBS) på den tid) skulle bruge den nyudviklede molekylstråle‑magnetiske resonansmetode, som leverede præcise målinger af nukleare magnetiske momenter som en tidsstandard.

Han målte derefter den frekvens, hvormed cesiumatomer naturligt absorberer og udsender mikrobølger, omkring 9,1914 milliarder cyklusser per sekund, og omtalte den år senere, hvilket NYT beskrev som et “kosmisk pendul”, der slår på “radiofrekvenser i atomernes hjerter.”

Et ur baseret på ammoniak blev demonstreret i 1949, men det viste sig i sidste ende ikke at være mere præcist end de eksisterende.

Over tid førte nye teknologiske innovationer som optisk pumping, som skabte meget stærkere magnetisk resonans‑ og mikrobølgeabsorptionssignaler, og Ramsey interferometri, som var til molekylstrålespektroskopi, til fremskridt på området og fik andre videnskabelige grupper til at studere det samme.

I 1975 var atomuret fra NIST så præcist, at det hverken gik hurtigere eller langsommere med et sekund på 400.000 år, mens deres atomur i 1993 blev endnu mere præcist, uden at gå hurtigere eller langsommere med et sekund på 6 millioner år.

I 2019 udviklede NASA Deep Space Atomic Clock for at gøre rumfartøjsnavigation til fjerne destinationer som andre planeter mere autonom. Denne vil afvige med mindre end et nanosekund efter fire dage og mindre end et mikrosekund efter et årti, hvilket svarer til kun ét sekund hver 10 millioner år.

NASA’s atomur var omkring 50 gange mere stabilt end sine modparter på GPS‑satellitter, og dette opnåedes med hjælp fra kviksølv‑atomer.

Den “præcise og stabile værdi” af energiforskellen mellem orbitaler “er virkelig den vigtigste ingrediens for atomure,” sagde Eric Burt, en atomur‑fysiker ved Jet Propulsion Laboratory (JPL) på det tidspunkt. “Det er grunden til, at atomure kan nå et præstationsniveau ud over mekaniske ure.”

Den type præcis tidsmåling, som atomure producerer, er ikke påkrævet i dagligdagen, men den har dybe implikationer i mange andre industrier. Atomure har faktisk ført til fremskridt inden for metrologi, kommunikation, avancerede navigationssystemer og satellitbaseret positionering.

Nu sigter den viden, der er opnået gennem den seneste forskning, mod at fremme mange flere fremskridt. Det forventes at være ekstremt gavnligt på tværs af sektorer, herunder kunstig intelligens (AI), robotik og andre fremvoksende felter.

For eksempel kan kvanteure, ved at drive avancerede gravitationsbølge‑detektorer og klimaovervågnings‑satellitter, øge opdagelsen af subtile jordsystemsignaler. De giver også mere præcise tidsreferencer, som kan muliggøre nye niveauer af måling for havniveau‑stigning, tektoniske forskydninger og underjordisk kortlægning.

I AI‑verdenen kan modeller, der kombinerer data med distribuerede sensorer for smarte fabrikker, præcisionslandbrug eller finansiel handel, drage fordel af præcise atomure. Det kan også hjælpe med kvanteforstærket AI‑hardware, hvor kvante‑tidsmåling kan stabilisere fejlbehæftede kvanteprocessorer, der bruges til maskinlæring. Pålidelig qubit‑kontrol afhænger jo af præcis timing og fasekoherens.

Fra autonome køretøjer til droner og robotter, er de alle afhængige af GPS‑navigation og lokale ure. Så meget præcise kvanteure kan muliggøre ‘GPS‑fraværende’ navigation. De kan også hjælpe robot‑sværme med at koordinere bedre til komplekse opgaver som distribueret kortlægning og redningsarbejde.

Kommunikation er et andet felt, der kan drage stor fordel af disse ure med hensyn til rækkevidde og stabilitet. Fremtidige trådløse og fotoniske netværk vil også have gavn, da de kræver ultra‑præcis timing for lav‑latens edge computing og enheds‑overdragelser.

Investering i den avancerede måleindustri

Honeywell International (HON ) er en leder inden for avancerede målesystemer, herunder højt præcise tidsenheder, atomur‑teknologier til luft‑ og rumfart og forsvar, samt endda kvantecomputing gennem Quantinuum, dannet ved fusionen af Cambridge Quantum og Honeywell. 

Virksomheden opererer primært gennem:

Luftfarts‑teknologier

• Leverer produkter, software og tjenester til fly.
• Betjener udstyrsproducenter, lufttransport og luftfartssektoren.

Industriel automatisering

• Leverer automatiseringsløsninger til intelligente, bæredygtige og sikre operationer.
• Målretter industrier såsom petrokemi og life science.

Bygningsautomatisering

• Leverer løsninger for at sikre sikre og bæredygtige faciliteter.

Energie‑ og bæredygtighedsløsninger

• Tilbyder licensmuligheder integreret med materialvidenskab og kemi.

Honeywell International (HON )

Honeywell har en markedsværdi på 154,5 milliarder dollars, med aktier der i øjeblikket handles på nye højder på 241 dollars, op 6,4 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 8,70 og en P/E (TTM) på 27,62, mens udbytteafkastet er 1,88 %.

For Q1 2025 rapporterede virksomheden et salg på 9,8 milliarder dollars og indtjening pr. aktie på 2,22 dollars. I denne periode brugte Honeywell 2,9 milliarder dollars på aktietilbagekøb, udbytter og kapitaludgifter.

“Honeywell startede året exceptionelt godt, overgik vejledningen på alle målepunkter, drevet af solid organisk vækst. For tredje kvartal i træk leverede vi både sekventiel og år‑over‑år backlog‑vækst, drevet af sunde ordre‑rater og fortsat kundedemand efter vores differentierede tilbud.”

– CEO Vimal Kapur

Konklusion

Kvante‑forbedret tidsmåling viser, at med fortsatte eksperimenter kan selv de mest grundlæggende grænser i fysikken genovervejes. Med den seneste forskning, efterhånden som vores forståelse af kvante‑termodynamik skrider frem, vil vores evne til at måle tid med stor præcision også udvikle sig.

Ved at kombinere smarte arkitekturer og dyb viden om entropi udfordrer forskerne gamle antagelser om energi‑ og entropi‑omkostninger og baner vejen for en ny æra af hyper‑præcise systemer med vidtrækkende indvirkninger på teknologi, infrastruktur, videnskab og universet.

Studier refereret:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Præcision er ikke begrænset af termodynamikkens anden lov. Nat. Phys. 2025, Advance online publication. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, A. N.; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, E. A.; Briggs, G. A. D.; Huber, M.; Ares, N. Måling af den termodynamiske omkostning ved tidsmåling. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029