Termodynamiikan rajojen rikkominen: Ajan mittaamisen tulevaisuus

Uusi tutkimus paljastaa, että kvanttiefektien tarkkuus¹ on odotettua parempi. Tämä tutkimus tulee, kun TU Wienin ja yhteistyökumppaneiden tutkijat hyödyntävät kvanttimetrologiaa atomikellossa.

Atomikello käyttää atomien kvanttisia ominaisuuksia mitatakseen aikaa paljon tarkemmin kuin perinteiset kellot. Nämä maailman tarkimmat ajanmittarit ovat tunnettuja ennennäkemättömästä tarkkuudestaan, sillä ne käyttävät laseria mittaamaan atomien värähtelyä, jotka värähtelevät vakionopeudella.

Kun tarkastellaan kvanttifysiikan peruslakeja, epävarmuus on aina läsnä, joten tietty määrä tilastollista kohinaa on odotettavissa ja se on hyväksyttävä. Tämä kohina tai satunnaisuus asettaa rajan saavutetulle tarkkuudelle.

Näin ollen atomikellot voisivat olla vieläkin tarkempia, ja jos ne pystyvät mittaamaan atomivärähtelyä tarkemmin, ne olisivat riittävän herkkiä havaitsemaan ilmiöitä kuten pimeä aine ja auttamaan vastaamaan kysymyksiin, millainen vaikutus gravitaatiolla on ajan kulkuun.

Mielenkiintoista on, että uskotaan, että atomikellon tarkkuuden lisääminen vaatii enemmän energiaa kyseisen tarkkuuden saavuttamiseksi.

Vuonna 2021 kokeilu² raportoi rajan kellojen tarkkuudelle, jossa luonto asettaa perustavanlaatuisen energian kustannuksen ajan pitämiselle. Tutkimuksen mukaan tarkemmin aikaa mittaavat kellot kuluttavat enemmän energiaa kuin vähemmän tarkat vastineensa.

Termodynamiikan keskeinen periaate on, että energia virtaa aina kuumista kohteista kylmiin; tämän virtauksen kääntäminen (kuten jääkaapissa) tarkoittaa, että joudumme maksamaan sen jossain muualla.

Siksi kello, joka vaatii vähintään kaksinkertaisesti enemmän energiaa ollakseen kaksinkertaisesti tarkempi, vaikuttaa muuttumattomalta lailta – ainakin tähän asti.

TU Wienin, Maltan yliopiston ja Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijaryhmä on osoittanut, että erityisten temppujen avulla tarkkuutta voidaan kasvattaa eksponentiaalisesti.

Keskeinen pointti on kahden eri aikaskaalan käyttäminen, aivan kuten tavallisessa kellossa on minuuttiviisari ja sekuntiviisari.

Miten kvanttifysiikka määrittelee uudelleen ajan entropiakustannuksen

Fysiikalliset laitteet, jotka toimivat epätasapainossa, ovat alttiita lämpötilan heilahteluille (satunnaisille poikkeamille järjestelmän keskimääräisestä tilasta), mikä rajoittaa niiden toiminnan tarkkuutta. Tämä ongelma on huomattavampi pienissä ja kvanttiasteissa, joissa tarvitaan entropian dissipointia sen lieventämiseksi.

Kellojen tapauksessa termodynaaminen virtaus kohti tasapainoa on tarpeen ajan mittaamiseksi, mikä johtaa vähimmäisentropian dissipointiin jokaiselle tikille.

Vaikka sekä klassiset että kvanttiset mallit yleensä osoittavat lineaarisen yhteyden tarkkuuden ja dissipoinnin välillä, suhde ei ole silti täysin selvä.

Pyrkimyksessä kohti tarkimpia atomipohjaisia kelloja, jotka voisivat mahdollisesti siirtyä ydinvoimaan tulevaisuudessa, nämä kustannukset eivät ole tärkein huolenaihe, mutta pienissä, itsenäisissä kvanttiohjausjärjestelmissä tarkka suhde dissipoinnin ja tarkkuuden välillä voi olla käytännöllinen huolenaihe.

Tämän mielessä tutkijat ovat nyt esittäneet autonomisen kvanttikellomallin, joka on saavuttanut tarkkuuden, joka kasvaa eksponentiaalisesti entropian dissipoinnin myötä.

Tämä saavutus on mahdollistettu koherentilla kuljetuksella spinketjussa, jossa on räätälöidyt kytkennät, ja jossa entropian dissipointi rajoittuu yhteen linkkiin, kertoi tutkimus. Tulokset osoittavat, että koherentti kvanttinen dynamiikka voi ylittää perinteisen termodynamiikan tarkkuusrajat, mikä voi edistää tulevien vähä-dissipointisten, erittäin tarkkojen kvanttialaitteiden kehitystä.

“Olemme periaatteessa analysoineet, mitkä kellot voisivat olla teoreettisesti mahdollisia.”

– Professori Marcus Huber, Atomilaitoksesta TU Wienissä

Hän selitti, että kello tarvitsee kaksi komponenttia. Ensimmäinen on aikapohjainen generaattori, kuten kvanttioskillaatio tai heiluri. Toinen on laskuri, joka on elementti, joka laskee aikayksiköt, kuten aikapohjainen generaattori määrittelee, jotka ovat kuluneet.

Aikapohjainen generaattori palaa aina täsmälleen samaan tilaan, tai heiluri on täsmälleen samassa paikassa kuin ennen yhden oskillaation päättymistä.

Samaan aikaan atomikellossa cesiumatomit palaavat täsmälleen samaan tilaan kuin ennen, tietyn määrän oskillaatioiden jälkeen. Laskurin on kuitenkin muututtava, jotta kello olisi hyödyllinen.

“Tämä tarkoittaa, että jokaisen kellon on oltava kytketty epäkelpoon prosessiin. Termodynamiikan kielellä tämä merkitsee, että jokainen kello lisää entropiaa universumissa; muuten se ei ole kello.”

– Florian Meier, TU Wienistä

Heilurikellossa heiluri tuottaa lämpöä ja epäjärjestystä ympäröivien ilmamolekyylien keskuudessa. Atomikellossa jokainen kelloa tilaa lukevan laserin säde tuottaa lämpöä sekä säteilyä ja siten entropiaa. Marcus Huberin mukaan:

“Voimme nyt pohtia, kuinka paljon entropiaa hypoteettisen erittäin tarkkuuden kellon tulisi tuottaa – ja näin ollen, kuinka paljon energiaa tällainen kello tarvitsee. Tähän mennessä vaikutti siltä, että suhde oli lineaarinen: jos haluat tuhat kertaa tarkemman, sinun on tuotettava vähintään tuhat kertaa enemmän entropiaa ja kulutettava tuhat kertaa enemmän energiaa.”

Mutta TU Wienin tiimi, yhteistyössä Maltan yliopiston, Chalmersin teknillisen yliopiston ja Itävallan tiedeakatemian (ÖAW) tutkijoiden kanssa, on nyt osoittanut, että tätä niin sanottua sääntöä voidaan kiertää käyttämällä kahta eri aikaskaalaa.

Esimerkiksi Meierin mukaan hiukkasia, jotka siirtyvät yhdestä alueesta toiseen, voidaan käyttää ajan mittaamiseen, aivan kuten hiekanjyvät, jotka putoavat lasin yläosasta alaspäin.

Tällaisia ajanmittauslaitteita voidaan kytkeä sarjaan, ja sen jälkeen voidaan laskea, kuinka monta niistä on jo kulkenut läpi. Tämä olisi samankaltaista kuin miten suurempi kelloviisari laskee, kuinka monta kierrosta pienempi viisari on jo suorittanut.

“Tällä tavalla tarkkuutta voidaan lisätä, mutta ei ilman lisäenergiaa,” sanoi Marcus Huber. “Koska jokaisella kerralla, kun yksi kelloviisari tekee täyden kierroksen ja toinen viisari mitataan uudessa paikassa – tai toisin sanoen, kun ympäristö havaitsee, että tämä viisari on siirtynyt uuteen sijaintiin – entropia kasvaa. Tämä laskentaprosessi on palautumaton.”

Toinen kvanttifysiikan sallima hiukkaskuljetustapa on matka koko rakenteen läpi. Tässä hiukkaset kulkevat kellon dialia pitkin mittaamatta.

Tämän prosessin aikana hiukkanen on ikään kuin kaikkialla ilman selkeästi määriteltyä sijaintia, kunnes se lopulta saapuu. Silloin hiukkanen mitataan, prosessissa, joka on palautumaton ja lisää entropiaa.

Tiimillä on siis kaksi prosessia: nopea, joka ei aiheuta entropiaa tai kvanttikuljetusta, ja toinen, jossa hiukkaset saapuvat aivan lopussa.

“Keskeinen asia menetelmässämme on, että yksi viisari toimii puhtaasti kvanttifysiikan perusteella, ja vain toinen, hitaampi viisari tuottaa entropiaa.”

– Yuri Minoguchi, TU Wienistä

Tiimi on osoittanut, että strategia mahdollistaa merkittävän tarkkuuden kasvun jokaisen entropian lisäyksen myötä, jolloin saavutetaan korkeampi tarkkuus kuin aiemmin uskottiin mahdolliseksi.

“Lisäksi teoriaa voitaisiin testata todellisessa maailmassa käyttämällä suprajohtavia piirejä, jotka ovat tällä hetkellä saatavilla olevista edistyneimmistä kvanttiteknologioista.”

– Tutkimuksen yhteiskirjoittaja Simone Gasparinetti, joka johtaa kokeellista tiimiä Chalmersissa

Huber kutsui tätä keskeiseksi tulokseksi kvanttisen tarkkojen mittausten tutkimuksessa sekä ei-toivottujen vaihteluiden hillitsemisessä. Lisäksi tutkimus, Huber totesi, “auttaa meitä ymmärtämään paremmin yhden fysiikan suurista mysteereistä: yhteyden kvanttifysiikan ja termodynamiikan välillä.”

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten toriumia käytetään ultra‑tarkkojen ydinkellojen voimanlähteenä.

Kvanttiajankirjoituksen tulevaisuuden vaikutus ihmiskuntaan

Yksi arvokkaimmista resursseistamme ihmisinä on aika, joka on rajallinen ja peruuttamaton. Aika on perusta olemassaolollemme ja edistymisellemme.

Seurataksemme aikaamme ihmiset kehittivät kalentereita, ja kun yhteiskunnat muuttuivat monimutkaisemmiksi ja teknologisemmiksi, tarkka ajanmittaus tuli entistä tärkeämmäksi.

Ajanmittaus tarvitsee jotain, joka värähtelee tasaisella rytmillä, sekä toisen, joka laskee nämä lyönnit ja näyttää ajan.

Tämä johti kellojen kehittämiseen, jotka kehittyivät ajan myötä heilureilla ja kvartsioskillaattoreilla.

Rannekelloista satelliiteissa käytettäviin kelloihin, suurin osa nykyaikaisista kelloista pitää aikaa kvartsikiteen oskillaattorin avulla. Kun jännite kytketään oskillaattoriin, se värähtelee tarkalla taajuudella, mikä toimii kuin heiluri heilurikellossa, merkiten kulunutta aikaa.

Ongelma oli, että mikään kaksi kelloa ei ollut samanlaisia. Maailman yhä integroituneessa tilassa tarvittiin yhtenäinen ja tarkka tapa mitata aikaa. Atomikello oli luonnollinen ratkaisu.

Atomikellon unelma alkoi yli sata vuotta sitten, kun tiedemiehet James Maxwell ja William Thompson ehdottivat ideaa.

Atomit ovat kaiken aineen perusrakenteita. Atomin ytimessä on ydin, joka koostuu protoneista ja neutroneista, ja sitä ympäröivät elektronit, joiden määrä voi vaihdella. Elektronit asettuvat erillisiin energiatasoihin, kiertäen ydin ympyränmuotoisissa radoissa.

Kun atomit absorboivat ja emittoivat tiettyjen taajuuksien valoaaltopituuksia, tiedemiehet päättelivät, että tietyn alkuaineen atomit ovat identtisiä keskenään eikä ne muutu, joten niiden absorboiman ja emittoiman valon taajuuksienkin ei pitäisi muuttua.

Vaikka ajatus syntyi 1800‑luvun lopulla, atomikello kehitettiin vasta paljon myöhemmin.

Kuten usein, sota toimii voimakkaana katalysaattorina tieteellisille ja teknologisille edistysaskeleille. Sota johti keksintöihin kuten mikroaaltouuni, GPS, tietokoneet ja muut, joilla on tänään syvällinen vaikutus päivittäiseen elämäämme.

Atomikello syntyi juuri tällaisena aikana. Vuonna 1939 fyysikko Isidor Rabi ehdotti, että National Institute of Standards and Technology (NIST) (tuolloin National Bureau of Standards (NBS)) -tutkijat käyttäisivät uutta molekyylisäde‑magneettisen resonanssin tekniikkaa, joka tarjosi tarkkoja ydinmagneettisten momenttien mittauksia aikastandardeina.

Hän mittasi sitten taajuuden, jolla cesiumatomit luonnollisesti absorboivat ja emittoivat mikroaaltoja, noin 9,1914 miljardia sykliä sekunnissa, ja puhui siitä vuosia myöhemmin, minkä NYT kuvasi “kosmiseksi heiluriksi”, joka hyödyntää “radioaaltoja atomien ytimissä.”

Ammoniakkipohjainen kello esiteltiin vuonna 1949, mutta se ei lopulta osoittautunut tarkemmaksi kuin aikaisemmat.

Ajan myötä uudet teknologiset innovaatiot, kuten optinen pumppaaminen, joka loi paljon vahvempia magneettisen resonanssin ja mikroaaltojen absorptiosignaaleja, sekä Ramsey‑interferometria, joka oli tarkoitettu molekyylisäde‑spektroskopiaan, johtivat alan edistymiseen ja innostivat muita tieteellisiä ryhmiä tutkimaan samaa.

Vuoteen 1975 mennessä NIST:n atomikello oli niin tarkka, ettei se lisännyt tai menettänyt sekuntia 400 000 vuodessa, ja vuonna 1993 heidän atomikellonsa tuli vielä tarkemmaksi, eikä se lisännyt tai menettänyt sekuntia 6 miljoonassa vuodessa.

Vuonna 2019 NASA kehitti Deep Space Atomic Clock -laitteen, jonka tarkoituksena on tehdä avaruusalusten navigointi kaukaisiin kohteisiin, kuten muihin planeettoihin, itsenäisemmäksi. Tämä kello poikkeaa vähemmän kuin nanosekunti neljän päivän jälkeen ja vähemmän kuin mikrosekunti vuosikymmenen jälkeen, mikä vastaa yhden sekunnin poikkeamaa 10 miljoonassa vuodessa.

NASA:n atomikello oli noin 50 kertaa vakaampi kuin GPS‑satelliittien vastaavat kellot, ja tämä saavutettiin elohopea‑atomien avulla.

“Tarkka ja vakaa arvo” kiertoratojen energian erolle “on todella avaintekijä atomikelloille,” sanoi Eric Burt, atomikellojen fyysikko Jet Propulsion Laboratory (JPL):ssä tuolloin. “Se on syy, miksi atomikellot voivat saavuttaa suorituskyvyn, joka ylittää mekaaniset kellot.”

Atomikellojen tuottama tarkka ajanmittaus ei ole välttämätöntä jokapäiväisessä elämässä, mutta sillä on syvällisiä vaikutuksia monilla muilla aloilla. Atomikellot ovat itse asiassa johtaneet edistysaskeliin metrologiassa, viestinnässä, kehittyneissä navigointijärjestelmissä ja satelliittipohjaisessa paikannuksessa.

Nyt viimeisimmästä tutkimuksesta saadun tiedon tavoitteena on edistää monia uusia innovaatioita. Sen odotetaan olevan äärimmäisen hyödyllinen eri sektoreilla, mukaan lukien tekoäly (AI), robotiikka ja muut nousevat alat.

Esimerkiksi energisoimalla kehittyneitä gravitaatioaaltojen detektoreita ja ilmaston seurantasatelliitteja, kvanttikellot voivat parantaa hienovaraisen maapallon signaalien havaitsemista. Ne tarjoavat myös tarkempia aikaviitteitä, jotka mahdollistavat uusia mittaustasoja merenpinnan nousulle, tektonisille liikkeille ja maanalaiselle kartoitukselle.

AI:n maailmassa taas mallit, jotka yhdistävät dataa hajautettuihin antureihin älykkäissä tehtaanympäristöissä, tarkassa maataloudessa tai rahoituskaupankäynnissä, voivat hyötyä tarkkojen atomikellojen avulla. Se voi myös tukea kvanttitehostettua AI‑laitteistoa, jossa kvanttiajankirjoitus voi vakauttaa virheherkkiä kvanttiprocesseja, joita käytetään koneoppimiseen. Luotettava kubittien ohjaus riippuu lopulta tarkasta ajoituksesta ja vaihekoherenssista.

Itseohjautuvista ajoneuvoista droneihin ja robotteihin, kaikki ne luottavat GPS‑navigaatioon ja paikallisiin kelloihin. Näin ollen erittäin tarkat kvanttikellot voivat mahdollistaa ‘GPS‑hylätyn’ navigoinnin. Ne voivat myös auttaa robottiparvia koordinoimaan paremmin monimutkaisia tehtäviä, kuten hajautettua kartoitusta ja pelastustoimintaa.

Viestintä on toinen ala, joka voi hyötyä merkittävästi näistä kelloista kantaman ja vakauden osalta. Tulevat langattomat ja fotoniset verkot hyötyvät myös, koska ne vaativat ultra‑tarkkaa ajoitusta matalan latenssin reunalaskentaan ja laitteiden vaihtoon.

Sijoittaminen kehittyneeseen mittausalaan

Honeywell International (HON ) on johtava kehittyneiden mittausjärjestelmien toimija, mukaan lukien erittäin tarkat ajoituslaitteet, atomikelloteknologiat avaruus- ja puolustussektorille, sekä jopa kvanttilaskenta Quantinuumin kautta, joka syntyi Cambridge Quantumin ja Honeywellin fuusiosta. 

Yritys toimii pääasiassa seuraavien segmenttien kautta:

Avaruusteknologiat

• Toimittaa tuotteita, ohjelmistoja ja palveluita lentokoneille.
• Palvelee laitteiden valmistajia, lentoliikennettä ja ilmailualaa.

Teollisuusautomaatio

• Tarjoaa automaatioratkaisuja älykkäisiin, kestäviin ja turvallisiin toimintoihin.
• Kohdistuu teollisuudenaloihin, kuten petrokemian ja elintieteiden sektoreihin.

Rakennusautomaatio

• Toimittaa ratkaisuja turvallisten ja kestävien tilojen varmistamiseksi.

Energia- ja kestävyysratkaisut

• Tarjoaa lisensointimahdollisuuksia, jotka on integroidtu materiaalitieteen ja kemian kanssa.

Honeywell International (HON )

Honeywellin markkina-arvo on 154,5 miljardia dollaria, ja sen osakkeet kaupataan tällä hetkellä uusina huippuhinnoin 241 dollaria, +6,4 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 8,70 ja P/E (TTM) 27,62, ja osinkotuotto on 1,88 %.

Vuoden 2025 ensimmäiselle neljännekselle yritys raportoi myynnin 9,8 miljardia dollaria ja osakekohtaisen tuloksen 2,22 dollaria. Tänä aikana Honeywell käytti 2,9 miljardia dollaria osakkeiden takaisinostoihin, osinkoihin ja pääomamenojen kattamiseen.

“Honeywell aloitti vuoden poikkeuksellisen hyvin, ylittäen ohjeistuksen kaikilla mittareilla, vahvan orgaanisen kasvun johdosta. Kolmannen peräkkäisen neljänneksen aikana toimitimme sekä peräkkäistä että vuosi‑vuodelta kasvavaa tilauskannan kasvua, jota tukivat terveet tilausmäärät ja jatkuva asiakaskysyntä erottuville tuotteillemme.”

– Toimitusjohtaja Vimal Kapur

Johtopäätös

Kvanttitehostettu ajanmittaus osoittaa, että jatkuvilla kokeilla jopa fysiikan perustavanlaatuiset rajat voidaan uudelleenarvioida. Viimeisimmän tutkimuksen myötä, kun kvanttitermodynamiikan ymmärryksemme kehittyy, myös kykymme mitata aikaa suurella tarkkuudella paranee.

Yhdistämällä älykkäitä arkkitehtuureja ja syvällistä entropian tuntemusta, tutkijat haastavat vanhat oletukset energian ja entropian kustannuksista ja raivaavat tietä uudelle aikakaudelle, jossa hyper‑tarkat järjestelmät vaikuttavat laajasti teknologiaan, infrastruktuuriin, tieteeseen ja koko universumiin.

Viitteet

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Tarkkuus ei ole toisen lain termodynamiikan rajoittama. 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. Ajan mittaamisen termodynaamisen kustannuksen mittaaminen. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029