Superare i Limiti Termodinamici: Il Futuro della Misurazione del Tempo

Un nuovo studio rivela che l’accuratezza degli effetti quantistici¹ è migliore del previsto. Questo studio arriva mentre i ricercatori della TU Wien e i collaboratori utilizzano la metrologia quantistica per l’orologio atomico.

Un orologio atomico utilizza le proprietà quantistiche degli atomi per misurare il tempo con molta più precisione rispetto agli orologi convenzionali. Questi cronometri più precisi al mondo sono noti per la loro accuratezza senza precedenti, usando laser per misurare le vibrazioni degli atomi, che oscillano a una frequenza costante.

Ma quando si tratta delle leggi fondamentali della fisica quantistica, c’è sempre una certa incertezza, quindi è da aspettarsi una certa quantità di rumore statistico che deve essere accettato. Questo rumore o casualità pone un limite all’accuratezza raggiunta. 

Quindi, gli orologi atomici potrebbero essere ancora più precisi, e se potessero misurare le vibrazioni atomiche con maggiore accuratezza, sarebbero sufficientemente sensibili da identificare fenomeni come la materia oscura e aiutare a rispondere a domande come quale effetto la gravità potrebbe avere sul trascorrere del tempo.

Curiosamente, si ritiene che per un orologio atomico più accurato sia necessaria più energia per raggiungere tale precisione. 

Nel 2021, un esperimento² ha riportato un limite all’accuratezza degli orologi, con la natura che impone un costo energetico fondamentale per tenere il tempo. Secondo la ricerca, gli orologi che misurano il tempo con maggiore precisione consumano più energia rispetto ai loro omologhi meno accurati. 

Con un principio chiave della termodinamica che l’energia fluisce sempre da oggetti caldi a quelli freddi, invertire questo flusso (come in un frigorifero) significa dover pagare altrove.

Quindi, un orologio che richiede almeno il doppio dell’energia per essere due volte più accurato sembra una legge immutabile, almeno fino ad ora.

Un team di scienziati della TU Wien, dell’Università di Malta e della Chalmers University of Technology ha dimostrato che, usando trucchi speciali, possiamo aumentare l’accuratezza in modo esponenziale. 

Il punto chiave qui è l’uso di due scale temporali diverse, proprio come un orologio standard ha una lancetta dei minuti e una dei secondi.

Come la Fisica Quantistica Ridefinisce il Costo di Entropia del Tempo

I dispositivi fisici che operano fuori dall’equilibrio sono influenzati dalle fluttuazioni termiche (deviazioni casuali di un sistema dal suo stato medio), che limitano l’accuratezza del loro funzionamento. Questo problema è più evidente a scala minuscola e quantistica, dove è necessaria la dissipazione di entropia per mitigarlo.

Nel caso degli orologi, è necessario un flusso termodinamico verso l’equilibrio per misurare il tempo, risultando in una dissipazione minima di entropia per ogni tic. 

Sebbene sia i modelli classici che i modelli quantistici tendano a mostrare un’associazione lineare tra precisione e dissipazione, la relazione non è ancora così chiara. 

Nella ricerca dei più accurati orologi basati su atomi, che in futuro potrebbero passare all’energia nucleare, questi costi non sono la preoccupazione più urgente, ma per piccoli sistemi di controllo quantistico autonomi, la relazione esatta tra dissipazione e precisione è potenzialmente una questione pratica. 

Tenendo presente ciò, i ricercatori hanno ora presentato un modello di orologio quantistico autonomo che ha raggiunto un’accuratezza che scala esponenzialmente con la dissipazione di entropia. 

Questo risultato è reso possibile dal trasporto coerente in una catena di spin con accoppiamenti personalizzati, dove la dissipazione di entropia è limitata a un unico collegamento, secondo lo studio. I risultati mostrano che la dinamica quantistica coerente può superare i limiti di precisione della termodinamica tradizionale, potenzialmente aiutando lo sviluppo di futuri dispositivi quantistici a bassa dissipazione e alta precisione.

“Abbiamo analizzato in linea di principio quali orologi potrebbero essere teoricamente possibili.”

– Professor Marcus Huber dell’Atomic Institute della TU Wien

Ha spiegato che un orologio ha bisogno di due componenti. Il primo è un generatore basato sul tempo, come un’oscillazione quantistica o un pendolo. Il secondo è un contatore, che è un elemento che conta le unità di tempo, così come definite dal generatore di base temporale, che sono trascorse.

Il generatore di base temporale ritorna sempre esattamente allo stesso stato, o il pendolo è esattamente dove era prima di completare un’oscillazione. 

Nel frattempo, in un orologio atomico, l’atomo di cesio ritorna allo stesso stato in cui era prima, dopo un certo numero di oscillazioni. Tuttavia, il contatore deve cambiare affinché un orologio sia utile.

“Ciò significa che ogni orologio deve essere collegato a un processo irreversibile. Nel linguaggio della termodinamica, questo significa che ogni orologio aumenta l’entropia nell’universo; altrimenti, non è un orologio.” 

– Florian Meier della TU Wien

In un orologio a pendolo, il pendolo genera calore e disordine tra le molecole d’aria intorno a esso. Nel caso di un orologio atomico, ogni raggio laser che legge lo stato dell’orologio genera calore così come radiazione e quindi entropia. Secondo Marcus Huber:

“Possiamo ora considerare quanta entropia dovrebbe generare un ipotetico orologio con precisione estremamente alta – e, di conseguenza, quanta energia tale orologio richiederebbe. Fino ad ora, sembrava esserci una relazione lineare: se vuoi mille volte la precisione, devi generare almeno mille volte più entropia e spendere mille volte più energia.”

Ma il team della TU Wien, in collaborazione con ricercatori dell’Università di Malta, della Chalmers University of Technology e dell’Accademia Austriaca delle Scienze (ÖAW), ha ora dimostrato che questa cosiddetta regola può essere aggirata usando due scale temporali diverse.

Ad esempio, come ha condiviso Meier, le particelle che si spostano da un’area all’altra possono essere usate per misurare il tempo, proprio come i granelli di sabbia che cadono dalla parte superiore del vetro a quella inferiore.

Una serie di tali dispositivi di misurazione del tempo può essere collegata in serie, e poi si può contare quante di esse sono già passate. Questo sarebbe simile a come la lancetta più grande dell’orologio conta il numero di giri che la lancetta più piccola ha già completato.

“In questo modo, puoi aumentare l’accuratezza, ma non senza investire più energia,” ha detto Marcus Huber. “Perché ogni volta che una lancetta dell’orologio completa una rotazione completa e l’altra lancetta viene misurata in una nuova posizione – si può anche dire ogni volta che l’ambiente intorno nota che questa lancetta si è spostata in una nuova posizione – l’entropia aumenta. Questo processo di conteggio è irreversibile.”

Un altro tipo di trasporto di particelle consentito dalla fisica quantistica è il viaggio attraverso l’intera struttura. Qui, le particelle viaggiano attraverso la quadrante dell’orologio senza essere misurate.

Durante questo processo, la particella, in un certo senso, è ovunque senza una posizione chiaramente definita fino a quando non arriva finalmente. È allora che la particella viene misurata, in un processo irreversibile che aumenta l’entropia.

Quindi, il team ha due processi: uno veloce che non genera entropia o trasporto quantistico, e l’altro in cui le particelle arrivano alla fine.

“La cosa cruciale del nostro metodo è che una lancetta si comporta puramente in termini di fisica quantistica, e solo l’altra, più lenta, ha effettivamente un effetto generatore di entropia.”

– Yuri Minoguchi della TU Wien

Il team ha dimostrato che la strategia consente un aumento significativo della precisione con ogni aumento dell’entropia, così è possibile raggiungere una precisione superiore a quella ritenuta possibile in precedenza.

“Inoltre, la teoria potrebbe essere testata nel mondo reale usando circuiti superconduttori, una delle tecnologie quantistiche più avanzate attualmente disponibili.”

– Coautore dello studio Simone Gasparinetti, leader del team sperimentale alla Chalmers 

Huber ha definito questo un risultato cruciale per la ricerca su misurazioni quantistiche ad alta precisione così come per la soppressione di fluttuazioni indesiderate. Inoltre, la ricerca, ha osservato Huber, “ci aiuta a comprendere meglio uno dei grandi misteri della fisica: la connessione tra fisica quantistica e termodinamica.”

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L’Impatto Futuro della Misurazione del Tempo Quantistica sull’Umanità

Una delle risorse più preziose per noi esseri umani è il tempo, che è limitato e irreversibile. Il tempo è fondamentale per la nostra esistenza e il nostro progresso.

Per tenere traccia del nostro tempo, le persone hanno sviluppato i calendari, e poi, man mano che le società diventavano più complesse e tecnologiche, è diventato più importante avere una misurazione del tempo accurata. 

Ciò di cui ha bisogno la misurazione del tempo è qualcosa che oscilla con un ritmo costante e un altro elemento che conta quei battiti e visualizza l’ora. 

Ciò ha portato allo sviluppo degli orologi, che nel tempo sono diventati più sofisticati con pendoli e oscillatori al quarzo. 

Dalle sveglie ai polsi agli orologi usati sui satelliti, la maggior parte degli orologi moderni tiene ancora il tempo usando un oscillatore a cristallo di quarzo. Quando una tensione è applicata all’oscillatore, vibra a una frequenza precisa, che funge da pendolo in un orologio a pendolo, segnando il tempo trascorso.

Ma il problema era che nessun due orologi erano identici. E con il mondo sempre più integrato, c’era la necessità di un modo coerente e accurato per misurare il tempo. Un orologio atomico era una soluzione naturale.

Il sogno dell’orologio atomico è iniziato più di un secolo fa quando gli scienziati James Maxwell e William Thompson proposero l’idea. 

Gli atomi sono i mattoni fondamentali di tutta la materia. Al centro degli atomi c’è il nucleo, che è composto da protoni e neutroni, circondato da elettroni, che possono variare in numero. Gli elettroni sono disposti in livelli energetici distinti, viaggiando in orbite circolari attorno al nucleo. 

Con gli atomi che assorbono ed emettono onde luminose a frequenze specifiche, gli scienziati hanno ragionato che gli atomi di un elemento specifico sono identici tra loro e non cambiano mai, quindi le frequenze della luce che assorbono ed emettono non dovrebbero cambiare.

Mentre l’idea è nata alla fine del XIX secolo, è stato solo molto più tardi che è stato effettivamente sviluppato un orologio atomico. 

Come spesso accade, la guerra tende a fungere da potente catalizzatore per i progressi scientifici e tecnologici. Fu la guerra a portare invenzioni come il forno a microonde, il GPS, i computer e altro, che oggi hanno effetti profondi sulla nostra vita quotidiana. 

Anche l’orologio atomico arrivò in quel periodo. Nel 1939, il fisico Isidor Rabi propose che gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) (all’epoca il National Bureau of Standards (NBS)) usassero la nuova tecnica di risonanza magnetica a fascio molecolare, che forniva misurazioni precise dei momenti magnetici nucleari, come standard temporale. 

Successivamente misurò la frequenza alla quale gli atomi di cesio assorbono ed emettono naturalmente microonde, circa 9,1914 miliardi di cicli al secondo, e ne parlò anni dopo, descritta dal NYT come un “pendolo cosmico” che attinge a “frequenze radio nei cuori degli atomi.”

Un orologio basato sull’ammoniaca fu dimostrato nel 1949, ma alla fine non si rivelò più preciso di quelli esistenti.

Nel tempo, nuove innovazioni tecnologiche come il pompaggio ottico; che creava segnali di risonanza magnetica e assorbimento di microonde molto più forti, e l’interferometria di Ramsey; per la spettroscopia a fascio molecolare, portarono a progressi nel campo e spinsero altri gruppi scientifici a studiare lo stesso.

Entro il 1975, l’orologio atomico del NIST era sufficientemente preciso da non guadagnare né perdere un secondo in 400.000 anni, mentre nel 1993 il loro orologio atomico divenne ancora più preciso, non guadagnando né perdendo un secondo in 6 milioni di anni. 

Nel 2019, la NASA ha sviluppato il Deep Space Atomic Clock per aiutare a rendere più autonoma la navigazione delle sonde spaziali verso destinazioni lontane come altri pianeti. Questo orologio avrà un errore inferiore a un nanosecondo dopo quattro giorni e inferiore a un microsecondo dopo un decennio, equivalente a un errore di un solo secondo ogni 10 milioni di anni.

L’orologio atomico della NASA era circa 50 volte più stabile rispetto ai suoi omologhi sui satelliti GPS, e ciò è stato ottenuto con l’aiuto di atomi di mercurio. 

Il “valore preciso e stabile” della differenza di energia tra le orbite “è davvero l’ingrediente chiave per gli orologi atomici,” ha detto Eric Burt, fisico degli orologi atomici al Jet Propulsion Laboratory (JPL) all’epoca. “È il motivo per cui gli orologi atomici possono raggiungere un livello di prestazioni superiore a quello degli orologi meccanici.”

Il tipo di misurazione del tempo precisa che gli orologi atomici producono non è necessario per la vita quotidiana, ma ha profonde implicazioni in molte altre industrie. Gli orologi atomici hanno effettivamente portato a progressi nella metrologia, nella comunicazione, nei sistemi di navigazione avanzata e nel posizionamento basato su satellite.

Ora, la conoscenza acquisita attraverso le ricerche più recenti mira a stimolare molti altri progressi. Si prevede che sarà estremamente vantaggiosa in diversi settori, inclusi intelligenza artificiale (AI), robotica e altri campi emergenti.

Ad esempio, alimentando avanzati rivelatori di onde gravitazionali e satelliti di monitoraggio climatico, gli orologi quantistici possono migliorare la rilevazione di segnali sottili del sistema terrestre. Forniscono inoltre riferimenti temporali più precisi che possono consentire nuovi livelli di misurazione per l’innalzamento del livello del mare, i movimenti tettonici e la mappatura sotterranea.

Nel mondo dell’AI, nel frattempo, i modelli che combinano dati con sensori distribuiti per fabbriche intelligenti, agricoltura di precisione o trading finanziario possono beneficiare di orologi atomici accurati. Può anche aiutare l’hardware AI potenziato quantisticamente, dove la misurazione del tempo quantistica può stabilizzare i processori quantistici soggetti a errori usati per l’apprendimento automatico. Il controllo affidabile dei qubit, dopotutto, dipende da una temporizzazione precisa e da coerenza di fase.

Dai veicoli autonomi a droni e robot, tutti dipendono dalla navigazione GPS e dagli orologi locali. Quindi, orologi quantistici altamente precisi possono abilitare la navigazione “senza GPS”. Possono anche aiutare gli sciami di robot a coordinarsi meglio per compiti complessi come la mappatura distribuita e le operazioni di ricerca e soccorso.

Le comunicazioni sono un altro campo che può trarre grande beneficio da questi orologi in termini di portata e stabilità. Le future reti wireless e fotoniche ne trarranno vantaggio poiché richiedono una temporizzazione ultra-precisa per il computing edge a bassa latenza e per i passaggi di dispositivo.

Investire nell’Industria della Misurazione Avanzata

Honeywell International (HON ) è un leader nei sistemi di misurazione avanzata, inclusi dispositivi di temporizzazione ad alta precisione, tecnologie di orologi atomici per l’aerospazio e la difesa, e anche il calcolo quantistico tramite Quantinuum, nato dalla fusione di Cambridge Quantum e Honeywell. 

L’azienda opera principalmente attraverso:

Technologie Aerospaziali

• Fornisce prodotti, software e servizi per aeromobili.
• Serve i produttori di attrezzature, il trasporto aereo e i settori dell’aviazione.

Automazione Industriale

• Fornisce soluzioni di automazione per operazioni intelligenti, sostenibili e sicure.
• Si rivolge a industrie come la petrolchimica e le scienze della vita.

Automazione Edilizia

• Fornisce soluzioni per garantire strutture sicure e sostenibili.

Soluzioni per Energia e Sostenibilità

• Offre capacità di licenza integrate con scienza dei materiali e chimica.

Honeywell International (HON )

Honeywell ha una capitalizzazione di mercato di 154,5 miliardi di dollari con le sue azioni attualmente in nuovi massimi a 241 $, in rialzo del 6,4 % YTD. Ha un EPS (TTM) di 8,70 e un P/E (TTM) di 27,62, mentre il rendimento del dividendo offerto è dell’1,88 %.

Per il Q1 2025, l’azienda ha registrato vendite per 9,8 miliardi di dollari e utili per azione di 2,22 $. Durante questo periodo, Honeywell ha utilizzato 2,9 miliardi di dollari per riacquisti di azioni, dividendi e spese in conto capitale.

“Honeywell ha iniziato l’anno in modo eccezionalmente positivo, superando le previsioni su tutti i parametri, guidata da una solida crescita organica. Per il terzo trimestre consecutivo, abbiamo conseguito una crescita sia sequenziale che annua del backlog, spinta da tassi di ordine sani e dalla continua domanda dei clienti per le nostre offerte differenziate.”

– CEO Vimal Kapur

Conclusione

La misurazione del tempo potenziata quantisticamente dimostra che, con esperimenti continui, anche i limiti più fondamentali della fisica possono essere ripensati. Con le ricerche più recenti, man mano che la nostra comprensione della termodinamica quantistica avanza, lo farà anche la nostra capacità di misurare il tempo con grande precisione. 

Combinando architetture intelligenti e una profonda conoscenza dell’entropia, i ricercatori stanno sfidando le vecchie assunzioni sui costi di energia e entropia, aprendo la strada a una nuova era di sistemi iper-precisi con impatti di vasta portata su tecnologia, infrastrutture, scienza e l’universo.

Studi Citati:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. La precisione non è limitata dalla Seconda Legge della Termodinamica. Nat. Phys. 2025, Pubblicazione online anticipata. 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. Misurare il Costo Termodinamico della Misurazione del Tempo. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029