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熱力学的限界を突破する: 時間計測の未来
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新しい研究は、量子効果の精度1が予想以上に高いことを明らかにしています。 この研究は、TU Wien の研究者と協力者が原子時計に量子計測法を利用していることと同時に行われました。
原子時計は、原子の量子特性を利用して、従来の時計よりはるかに正確に時間を測定します。世界で最も正確なこの時計は、一定の周波数で振動する原子の振動をレーザーで測定することで、前例のない精度を実現しています。
しかし、量子物理学の基本法則に関しては常に不確実性が伴うため、ある程度の統計的ノイズが予想され、受け入れざるを得ません。このノイズやランダム性が、達成できる精度に限界を課します。
したがって、原子時計はさらに高精度になる可能性があり、原子の振動をより正確に測定できれば、暗黒物質のような現象を検出でき、重力が時間の流れに与える影響といった疑問に答える手がかりになるでしょう。
興味深いことに、原子時計の精度を上げるには、より多くのエネルギーが必要だと考えられています。
2021年、実験2は、時計の精度に限界があり、自然が時間を保つための基本的なエネルギーコストを課すことを報告しました。研究によれば、時間をより正確に測定する時計は、精度の低い時計よりも多くのエネルギーを消費します。
熱力学の重要な原則の一つは、エネルギーは常に高温の物体から低温の物体へ流れることであり、この流れを逆転させる（冷蔵庫のように）には、別の場所でエネルギーを支払う必要があります。
したがって、2倍の精度を得るために少なくとも2倍のエネルギーが必要というのは不変の法則のように思われましたが、今までそうでした。
TU Wien、マルタ大学、チャルマーズ工科大学の科学者チームは、特殊な手法を用いることで精度を指数的に向上させられることを示しました。
ここでの重要な点は、標準的な時計が分針と秒針を持つように、2つの異なる時間スケールを使用することです。
量子物理学が時間のエントロピーコストを再定義する
平衡状態から外れて動作する物理デバイスは、熱揺らぎ（系が平均状態からランダムに逸脱すること）の影響を受け、動作精度が制限されます。この問題は、非常に小さなスケールや量子スケールで顕著であり、エントロピー散逸が必要となります。
時計の場合、時間を測定するために平衡へ向かう熱力学的フラックスが必要であり、その結果、ティックごとに最小限のエントロピー散逸が生じます。
古典的モデルと量子モデルの両方は、精度と散逸の間に線形関係がある傾向がありますが、その関係はまだはっきりしていません。
将来的に核エネルギーへ移行する可能性のある、最も正確な原子ベースの時計を追求する中で、これらのコストは最も緊急の課題ではありませんが、小型で自己完結型の量子制御においては、散逸と精度の正確な関係が実用的な関心事となり得ます。
この点を踏まえて、研究者らはエントロピー散逸に対して指数的に精度が向上する自律量子時計モデルを提示しました。
この成果は、カスタマイズされた結合を持つスピンチェーンにおけるコヒーレント輸送によって実現され、エントロピー散逸は単一のリンクに限定されると研究は述べています。結果は、コヒーレントな量子ダイナミクスが従来の熱力学の精度限界を超え、将来の低散逸・高精度量子デバイスの開発に寄与する可能性があることを示しています。
「原理的に、どのような時計が理論的に可能かを分析しました。」
– TU Wien 原子研究所のマーカス・ヒューバー教授
彼は、時計が必要とする2つの要素があると説明しました。第一は時間ベースの発生器で、量子振動や振り子のようなものです。第二はカウンターで、時間ベースの発生器が定義する時間単位が経過した回数を数える要素です。
時間ベースの発生器は常に全く同じ状態に戻ります、あるいは振り子は1回の振動を完了した後、ちょうど元の位置に戻ります。
一方、原子時計では、一定回数の振動の後、セシウム原子は元の状態に戻ります。しかし、時計が有用であるためにはカウンターが変化しなければなりません。
「これは、すべての時計が不可逆的なプロセスに接続されていなければならないことを意味します。熱力学の言葉で言えば、すべての時計は宇宙のエントロピーを増加させます。そうでなければ、時計ではありません。」
– TU Wien のフロリアン・マイヤー
振り子時計では、振り子が周囲の空気分子に熱と無秩序を生み出します。原子時計の場合、時計の状態を読み取るすべてのレーザービームが熱と放射を生成し、したがってエントロピーが生じます。マーカス・ヒューバーによれば：
「今や、極めて高精度な仮想時計がどれだけのエントロピーを生成しなければならないか、そしてそれに応じてどれだけのエネルギーが必要かを考えることができます。これまで、線形関係があるように見えました：精度を千倍にしたいなら、少なくとも千倍のエントロピーを生成し、千倍のエネルギーを消費しなければなりません。」
しかし、TU Wien のチームは、マルタ大学、チャルマーズ工科大学、オーストリア科学アカデミー（ÖAW）の研究者と協力し、2つの異なる時間スケールを使用することで、このいわゆる法則を回避できることを実証しました。
例えば、マイヤーが述べたように、ある領域から別の領域へ移動する粒子は、砂粒がガラスの上部から下部へ落ちるように時間を測定するために使用できます。
このような時間測定装置を直列に接続すれば、どれだけ多くが通過したかを数えることができます。これは、大きな時計の針が小さな針が完了した回転数を数えるのと似ています。
「この方法で精度を向上させることができますが、より多くのエネルギーを投資しなければなりません」とマーカス・ヒューバーは述べました。「時計の針が一回転し、もう一方の針が新しい位置で測定されるたびに—あるいは環境がその針が新しい位置に移動したことに気付くたびに—エントロピーが増加します。このカウントプロセスは不可逆です。」
量子物理学が許すもう一つの粒子輸送の形態は、構造全体を通って移動することです。ここでは、粒子は時計の文字盤を測定されることなく横切ります。
この過程で、粒子は実際に到着するまで明確な位置が定まらず、ある意味でどこにでも存在します。その時点で粒子が測定され、不可逆的でエントロピーを増加させるプロセスが行われます。
したがって、チームは2つのプロセスを持っています：エントロピーや量子輸送を伴わない高速プロセスと、粒子が最終的に到着するもう一つのプロセスです。
「我々の手法で重要なのは、片方の針が純粋に量子物理学的に振る舞い、もう一方の遅い針だけがエントロピー生成効果を持つことです。」
– TU Wien のユリ・ミノグチ
チームは、この戦略によりエントロピーが増加するたびに精度が大幅に向上し、従来考えられていた以上の高精度が実現できることを示しました。
「さらに、この理論は現在利用可能な最先端の量子技術の一つである超伝導回路を用いて実世界でテストできるでしょう。」
– チャルマーズの実験チームを率いる共同著者シモーネ・ガスパリネッティ
ヒューバーは、これは高度に正確な量子測定の研究や不要な揺らぎの抑制にとって重要な成果であると述べました。さらに、ヒューバーはこの研究が「量子物理学と熱力学のつながりという物理学の大きな謎の一つをよりよく理解する手助けになる」と指摘しました。
トリウムが超高精度核時計を駆動する方法については、こちらをクリックしてください。
量子時間計測が人類にもたらす未来への影響
人間にとって最も貴重な資源の一つは時間であり、限られ、不可逆的です。時間は私たちの存在と進歩の根本です。
時間を管理するために、人々は暦を作り、社会がより複雑で技術的になるにつれて、正確な時間計測の重要性が増しました。
時間計測には、一定のリズムで振動するものと、そのビートを数えて時間を表示するものが必要です。
これにより、振り子や水晶振動子を備えた高度な時計が開発されました。
腕時計から衛星に搭載された時計まで、ほとんどの現代の時計は依然として水晶振動子で時間を測定しています。電圧が加わると振動子は正確な周波数で振動し、振り子時計の振り子のように時間を刻みます。
しかし、問題は時計がすべて同じではなかったことです。世界がますます統合される中で、一貫した正確な時間測定が必要となり、原子時計は自然な解決策となりました。
原子時計の夢は、実は1世紀以上前に科学者のジェームズ・マクスウェルとウィリアム・トンプソンがこの概念を提案したことに始まります。
原子はすべての物質の基本的な構成要素です。原子の中心には陽子と中性子からなる原子核があり、電子が取り巻いています。電子は数が変わり得て、核の周りを円軌道で回る特定のエネルギー準位に配置されています。
原子が特定の周波数の光波を吸収・放出することから、科学者は特定元素の原子は互いに同一で変化しないと考え、したがって吸収・放出する光の周波数も変わらないと推測しました。
この概念は19世紀後半に生まれましたが、実際に原子時計が開発されたのはずっと後のことです。
実際、戦争は科学技術の大きな触媒となることが多く、戦争がマイクロ波オーブン、GPS、コンピュータなどの発明をもたらし、今日では私たちの日常生活に深い影響を与えています。
原子時計も同様の時代に登場しました。1939年、物理学者イシドール・ラビは、当時の国家標準局（NBS）であった米国標準技術研究所（NIST）の科学者に、核磁気モーメントの精密測定を可能にした新開発の分子ビーム磁気共鳴技術を時間標準として使用することを提案しました。
彼はセシウム原子が自然にマイクロ波を吸収・放出する周波数を測定し、約9.1914 GHz（9.1914 十億回/秒）であることを確認しました。後年、ニューヨーク・タイムズはこれを「原子の中心にあるラジオ周波数を叩く『宇宙の振り子』」と表現しました。
1949年にアンモニアを利用した時計が実証されましたが、最終的には既存の時計と比べて精度が向上しませんでした。
時間とともに、光ポンピング（より強力な磁気共鳴とマイクロ波吸収信号を生成）やラムゼー干渉法（分子ビーム分光法のため）といった新技術が登場し、分野の進歩を促し、他の研究グループも同様の研究に取り組むようになりました。
1975年までに、NIST の原子時計は40万年で1秒もずれないほどの精度を達成し、1993年にはさらに精度が向上し、600万年で1秒もずれないレベルとなりました。
2019年、NASAは遠隔地（他の惑星など）への宇宙船航法を自律化するために、ディープ・スペース・アトミック・クロックを開発しました。この時計は4日後に1ナノ秒未満、10年後に1マイクロ秒未満の誤差で、10百万年に1秒のずれに相当します。
NASA の原子時計は GPS 衛星上の同種の時計より約50倍安定しており、これは水銀原子の利用によって実現されました。
軌道間のエネルギー差の「正確で安定した値」は「原子時計にとって本質的な要素」であると、当時 JPL の原子時計物理学者エリック・バートは述べました。「これが原子時計が機械式時計を超える性能を実現できる理由です。」
原子時計が提供する高度な時間計測は日常生活には必須ではありませんが、多くの産業に深い影響を与えています。原子時計は計測学、通信、先進的な航法システム、衛星測位の進歩をもたらしました。
現在、最新の研究で得られた知見はさらなる多くの進歩を促すことが期待されており、人工知能（AI）やロボティクス、その他の新興分野を含む多くのセクターに極めて有益と見込まれています。
例えば、先進的な重力波検出器や気候観測衛星に電力を供給することで、量子時計は微細な地球システム信号の検出を向上させます。また、海面上昇、テクトニックシフト、地下測量などの測定に新たな精度基準を提供します。
AI の世界では、スマート工場、精密農業、金融取引などで分散センサーとデータを組み合わせたモデルが、正確な原子時計から恩恵を受けられます。また、量子時間計測が機械学習に用いられるエラーが多い量子プロセッサを安定させ、量子強化 AI ハードウェアにも役立ちます。結局、信頼できる量子ビット制御は正確なタイミングと位相コヒーレンスに依存しています。
自律走行車やドローン、ロボットはすべて GPS ナビゲーションとローカル時計に依存しています。そのため、ここでの高精度量子時計は「GPS が利用できない」環境でのナビゲーションを可能にし、ロボット群が分散マッピングや捜索救助といった複雑なタスクでより良く協調できるよう支援します。
通信分野も、これらの時計から範囲と安定性の面で大きな恩恵を受けられます。将来の無線・光ネットワークも、低遅延エッジコンピューティングやデバイスハンドオーバーに超高精度タイミングを必要とするため、恩恵を受けるでしょう。
先進測定産業への投資
Honeywell International (HON ) は、航空宇宙・防衛向けの高度なタイミングデバイスや原子時計技術、そしてケンブリッジ・クアンタムとハニウェルの合併により誕生した Quantinuum を通じた量子コンピューティングなど、先進測定システムのリーダーです。
同社は主に以下の分野で事業を展開しています:
航空宇宙技術
- 航空機向けの製品、ソフトウェア、サービスを提供します。
- 機器メーカー、航空輸送、航空産業向けにサービスを提供します。
産業オートメーション
- インテリジェントで持続可能かつ安全な運用のためのオートメーションソリューションを提供します。
- 石油化学やライフサイエンスなどの産業を対象としています。
ビルディングオートメーション
- 安全で持続可能な施設を確保するためのソリューションを提供します。
エネルギー・持続可能性ソリューション
- 材料科学と化学を統合したライセンス機能を提供します。
Honeywell International (HON )
Honeywell の時価総額は 1,545 億ドルで、株価は現在 241 ドルの新高値で取引されており、年初来で 6.4% 上昇しています。EPS（TTM）は 8.70、P/E（TTM）は 27.62、配当利回りは 1.88% です。
HON 価格チャート
2025 年第1四半期において、同社は売上高 98 億ドル、1 株当たり利益 2.22 ドルを報告しました。この期間中、Honeywell は株式買い戻し、配当、設備投資に合計 29 億ドルを使用しました。
「Honeywell は今年のスタートを非常に好調に切り、すべての指標でガイダンスを上回り、堅実な有機的成長に牽引されました。3 四半期連続で、受注残の順次成長と前年比成長の両方を実現し、健全な受注率と差別化された製品に対する顧客需要の継続が要因です。」
– CEO ヴィマル・カプール
結論
量子強化時間計測は、実験を継続すれば、物理学の最も基本的な限界さえも再考できることを示しています。最新の研究により、量子熱力学の理解が進むにつれて、極めて高精度な時間測定能力も向上します。
巧妙なアーキテクチャとエントロピーに関する深い知識を組み合わせることで、研究者はエネルギーとエントロピーコストに関する従来の前提に挑戦し、技術、インフラ、科学、そして宇宙に広範な影響を与える超高精度システムの新時代への道を切り開いています。
参照文献:
1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. 精度は熱力学第二法則によって制限されない. Nat. Phys. 2025, 事前オンライン出版. 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. 時間計測の熱力学的コストの測定. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029
