Thermodynamische limieten doorbreken: De toekomst van tijdmeting

Een nieuwe studie onthult dat de nauwkeurigheid van kwantumeffecten¹ beter is dan verwacht. Deze studie komt terwijl onderzoekers van de TU Wien en hun medewerkers kwantummetrologie toepassen voor de atoomklok.

Een atoomklok maakt gebruik van de kwantumeigenschappen van atomen om de tijd veel nauwkeuriger te meten dan conventionele klokken. Deze meest precieze tijdwaarnemers ter wereld staan bekend om hun ongekende nauwkeurigheid door lasers te gebruiken om de trillingen van atomen te meten, die op een constante frequentie oscilleren.

Maar als het gaat om de fundamentele wetten van de kwantumfysica, is er altijd enige onzekerheid, dus een bepaalde hoeveelheid statistische ruis wordt verwacht en moet geaccepteerd worden. Deze ruis of willekeur legt een limiet op de behaalde nauwkeurigheid.

Dus atoomklokken zouden nog nauwkeuriger kunnen zijn, en als ze de atoomtrillingen nauwkeuriger kunnen meten, zouden ze gevoelig genoeg zijn om fenomenen zoals donkere materie te identificeren en vragen te beantwoorden zoals welk effect zwaartekracht op het verstrijken van de tijd kan hebben.

Interessant genoeg wordt gedacht dat een atoomklok meer energie nodig heeft om die precisie te bereiken.

In 2021 rapporteerde een experiment² een limiet aan de nauwkeurigheid van klokken, waarbij de natuur een fundamentele energiekost oplegt voor het bijhouden van de tijd. Volgens het onderzoek verbruiken klokken die de tijd nauwkeuriger meten meer energie dan hun minder nauwkeurige tegenhangers.

Een belangrijk principe van de thermodynamica is dat energie altijd van warme naar koude objecten stroomt; het omkeren van deze stroom (zoals in een koelkast) betekent dat we het ergens anders moeten betalen.

Dus een klok die minstens twee keer zoveel energie nodig heeft om twee keer zo nauwkeurig te zijn, lijkt een onveranderlijke wet te zijn, tot nu toe.

Een team van wetenschappers van de TU Wien, de Universiteit van Malta en de Chalmers University of Technology heeft aangetoond dat we door speciale trucjes de nauwkeurigheid exponentieel kunnen verhogen.

Het belangrijkste punt hier is het gebruik van twee verschillende tijdschalen, net zoals een gewone klok een minutenwijzer en een secondewijzer heeft.

Hoe kwantumfysica de entropiekost van tijd herdefinieert

Fysieke apparaten die buiten evenwicht werken worden beïnvloed door thermische fluctuaties (willekeurige afwijkingen van een systeem van zijn gemiddelde toestand), die de nauwkeurigheid van hun werking beperken. Dit probleem is duidelijker op kleine en kwantumschalen, waar we entropie‑dissipatie nodig hebben om het te mitigeren.

In het geval van klokken is een thermodynamische flux naar evenwicht vereist om de tijd te meten, wat resulteert in een minimale entropiedissipatie per tik.

Hoewel zowel klassieke als kwantummodellen een lineaire relatie tussen precisie en dissipatie lijken te vertonen, is de relatie nog steeds niet zo duidelijk.

In de zoektocht naar de meest nauwkeurige atoomgebaseerde klokken, die mogelijk in de toekomst naar nucleaire energie kunnen overgaan, zijn deze kosten niet de meest urgente zorg, maar voor kleine, zelfvoorzienende kwantumcontrole is de exacte relatie tussen dissipatie en precisie potentieel een praktisch probleem.

Met dat in gedachten hebben de onderzoekers nu een autonoom kwantumklokmodel gepresenteerd dat een nauwkeurigheid heeft bereikt die exponentieel schaalt met de dissipatie van entropie.

Deze prestatie wordt mogelijk gemaakt door coherente transport in een spinketen met aangepaste koppelingen, waarbij entropiedissipatie beperkt is tot één verbinding, aldus de studie. De resultaten tonen aan dat coherente kwantumdynamica de precisielimieten van traditionele thermodynamica kan overstijgen, wat mogelijk helpt bij de ontwikkeling van toekomstige laag-dissipatie, hoog-precisie kwantumapparaten.

“We hebben in principe geanalyseerd welke klokken theoretisch mogelijk zouden kunnen zijn.”

– Professor Marcus Huber van het Atomic Institute aan de TU Wien

Hij legde uit dat een klok twee componenten nodig heeft. De eerste is een tijdsgebaseerde generator, zoals een kwantumoscillatie of een slinger. De tweede is een teller, een element dat de tijdseenheden telt, zoals gedefinieerd door de tijdgenerator, die zijn verstreken tijd bijhoudt.

De tijdgenerator keert altijd terug naar exact dezelfde staat, of de slinger bevindt zich precies op dezelfde plek als vóór het voltooien van één oscillatie.

Intussen keert in een atoomklok het cesiumatoom na een bepaald aantal oscillaties terug naar exact dezelfde staat als daarvoor. De teller moet echter veranderen om de klok bruikbaar te maken.

“Dit betekent dat elke klok verbonden moet zijn met een onomkeerbaar proces. In de taal van de thermodynamica betekent dit dat elke klok de entropie in het universum verhoogt; anders is het geen klok.” 

– Florian Meier van de TU Wien

In een slingerklok genereert de slinger enige warmte en wanorde onder de luchtmoleculen eromheen. In het geval van een atoomklok genereert elke laserstraal die de toestand van de klok leest zowel warmte als straling en dus entropie. Volgens Marcus Huber:

“We kunnen nu overwegen hoeveel entropie een hypothetische klok met extreem hoge precisie zou moeten genereren – en, dienovereenkomstig, hoeveel energie zo’n klok nodig zou hebben. Tot nu toe leek er een lineaire relatie te bestaan: als je duizend keer de precisie wilt, moet je minstens duizend keer zoveel entropie genereren en duizend keer zoveel energie verbruiken.”

Maar het team van de TU Wien, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Malta, Chalmers University of Technology en de Oostenrijkse Academie der Wetenschappen (ÖAW), heeft nu aangetoond dat deze zogenoemde regel kan worden omzeild door twee verschillende tijdschalen te gebruiken.

Bijvoorbeeld, zoals Meier deelde, kunnen deeltjes die van het ene gebied naar het andere bewegen worden gebruikt om de tijd te meten, net zoals zandkorrels dat doen door van de bovenkant van een zandloper naar de onderkant te vallen.

Een reeks van dergelijke tijdmeetende apparaten kan in serie worden geschakeld, waarna je kunt tellen hoeveel ervan al zijn gepasseerd. Dit zou vergelijkbaar zijn met hoe de grotere wijzer van een klok het aantal omwentelingen telt dat de kleinere wijzer al heeft voltooid.

“Op deze manier kun je de nauwkeurigheid verhogen, maar niet zonder meer energie te investeren,” zei Marcus Huber. “Omdat elke keer dat één wijzer van de klok een volledige rotatie maakt en de andere wijzer op een nieuwe positie wordt gemeten – je zou ook kunnen zeggen elke keer dat de omgeving merkt dat deze wijzer naar een nieuwe positie is verplaatst – de entropie toeneemt. Dit telproces is onomkeerbaar.”

Een andere vorm van deeltjestransport die door kwantumfysica mogelijk is, is het reizen door de gehele structuur. Hier reizen de deeltjes over de wijzerplaat van de klok zonder gemeten te worden.

Tijdens dit proces is het deeltje, in zekere zin, overal aanwezig zonder een duidelijk gedefinieerde locatie totdat het uiteindelijk arriveert. Pas dan wordt het deeltje gemeten, in een onomkeerbaar proces dat de entropie verhoogt.

Dus het team heeft twee processen: een snelle die geen entropie of kwantumtransport veroorzaakt, en de andere waarbij de deeltjes helemaal aan het einde aankomen.

“Het cruciale aan onze methode is dat één wijzer zich volledig gedraagt volgens de kwantumfysica, en alleen de andere, langzamere wijzer daadwerkelijk een entropie‑genererend effect heeft.”

– Yuri Minoguchi van de TU Wien

Het team heeft aangetoond dat de strategie een significante toename in precisie mogelijk maakt bij elke toename van entropie, waardoor een hogere precisie dan voorheen gedacht haalbaar is.

“Bovendien zou de theorie in de echte wereld getest kunnen worden met behulp van supergeleidende circuits, een van de meest geavanceerde kwantumtechnologieën die momenteel beschikbaar zijn.”

– Studie‑co‑auteur Simone Gasparinetti, die leider is van het experimentele team bij Chalmers 

Huber noemde dit een cruciale uitkomst voor onderzoek naar zeer nauwkeurige kwantummetingen en het onderdrukken van ongewenste fluctuaties. Bovendien helpt het onderzoek, aldus Huber, “ons beter te begrijpen een van de grote mysteries van de fysica: de verbinding tussen kwantumfysica en thermodynamica.”

Klik hier om te leren hoe thorium ultra‑precise nucleaire klokken aandrijft.

De toekomstige impact van kwantumtijdmeting op de mensheid

Een van de meest kostbare hulpbronnen voor ons mensen is tijd, die beperkt en onomkeerbaar is. Tijd is fundamenteel voor ons bestaan en onze vooruitgang.

Om onze tijd bij te houden, ontwikkelden mensen kalenders, en toen samenlevingen complexer en technischer werden, werd het belangrijker om nauwkeurige tijdmeting te hebben.

Wat tijdmeting nodig heeft, is iets dat met een constant ritme oscilleert en iets dat die slagen telt en de tijd weergeeft.

Dit leidde tot de ontwikkeling van klokken, die in de loop der tijd steeds geavanceerder werden met slingers en kwartsoscillatoren.

Van polshorloges tot klokken die op satellieten worden gebruikt, gebruiken de meeste moderne klokken nog steeds een kwartscristaloscillator om de tijd bij te houden. Wanneer er een spanning op de oscillator wordt aangelegd, trilt deze op een precieze frequentie, wat werkt als de slinger in een slingerklok, en tikt de verstreken tijd af.

Maar het probleem was dat geen twee klokken identiek waren. En naarmate de wereld meer geïntegreerd werd, was er behoefte aan een consistente en nauwkeurige manier om tijd te meten. Een atoomklok was een natuurlijke oplossing.

De droom van de atoomklok begon meer dan een eeuw geleden toen wetenschappers James Maxwell en William Thompson het idee voorstelden.

Atomen zijn de basisbouwstenen van alle materie. In de kern van atomen bevindt zich de kern, bestaande uit protonen en neutronen, omgeven door elektronen, waarvan het aantal kan variëren. Elektronen bevinden zich in verschillende energieniveaus en draaien in cirkelvormige banen rond de kern.

Doordat atomen lichtgolven van specifieke frequenties absorberen en uitzenden, redeneerden wetenschappers dat atomen van een specifiek element identiek zijn en nooit veranderen, dus zouden de frequenties van het licht dat ze absorberen en uitzenden ook niet moeten veranderen.

Hoewel het idee voor het eerst in de late 19e eeuw ontstond, werd pas veel later een atoomklok daadwerkelijk ontwikkeld.

Zoals het vaak gebeurt, dient oorlog als een krachtige katalysator voor wetenschappelijke en technologische vooruitgang. Het was oorlog die leidde tot uitvindingen zoals de magnetron, GPS, computers en meer, die vandaag een diepgaande invloed hebben op ons dagelijks leven.

De atoomklok kwam ook in zo’n tijd. In 1939 stelde natuurkundige Isidor Rabi voor dat wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) (destijds het National Bureau of Standards (NBS)) de nieuw ontwikkelde moleculaire bundelmagnetische resonantietechniek gebruiken, die precieze metingen van nucleaire magnetische momenten mogelijk maakte, als tijdstandaard.

Hij meette vervolgens de frequentie waarbij cesiumatomen van nature microgolven absorberen en uitzenden, ongeveer 9,1914 miljard cycli per seconde, en sprak er jaren later over, wat door de NYT werd beschreven als een “kosmische slinger” die “radiofrequenties in het hart van atomen” tapt.

Een klok gebaseerd op ammoniak werd in 1949 gedemonstreerd, maar bleek uiteindelijk niet nauwkeuriger te zijn dan bestaande klokken.

In de loop der tijd leidden nieuwe technologische innovaties zoals optische pomping, die veel sterkere magnetische resonantie- en microgolfabsorptiesignalen creëerde, en Ramsey-interferometrie, die werd gebruikt voor moleculaire bundelspectroscopie, tot vooruitgang in het veld en stimuleerden andere wetenschappelijke groepen om hetzelfde te bestuderen.

Tegen 1975 was de atoomklok van NIST nauwkeurig genoeg om in 400.000 jaar geen seconde te winnen of te verliezen, terwijl hun atoomklok in 1993 nog nauwkeuriger werd, zonder in 6 miljoen jaar een seconde te winnen of te verliezen.

In 2019 ontwikkelde NASA de Deep Space Atomic Clock om de navigatie van ruimtevaartuigen naar verre locaties zoals andere planeten autonomer te maken. Deze klok wijkt na vier dagen minder dan een nanoseconde af en na een decennium minder dan een microseconde, wat gelijkstaat aan een afwijking van slechts één seconde per 10 miljoen jaar.

NASA’s atoomklok was ongeveer 50 keer stabieler dan zijn tegenhangers op GPS-satellieten, en dit werd bereikt met behulp van kwikatomen.

De “preciese en stabiele waarde” van het energieverschil tussen banen “is echt het belangrijkste ingrediënt voor atoomklokken,” zei Eric Burt, een atoomklokfysicus bij het Jet Propulsion Laboratory (JPL) destijds. “Het is de reden waarom atoomklokken een prestatieniveau kunnen bereiken dat verder gaat dan mechanische klokken.”

Het soort precieze tijdmeting dat atoomklokken produceren is niet vereist voor het dagelijks leven, maar heeft diepgaande implicaties in vele andere industrieën. Atoomklokken hebben daadwerkelijk geleid tot vooruitgang in metrologie, communicatie, geavanceerde navigatiesystemen en satellietgebaseerde positionering.

Nu beoogt de kennis die door het nieuwste onderzoek is verkregen tal van verdere doorbraken te stimuleren. Het wordt verwacht dat het uiterst gunstig zal zijn voor sectoren, waaronder kunstmatige intelligentie (AI), robotica en andere opkomende velden.

Zo kunnen kwantumklokken geavanceerde zwaartekrachtsgolfdetectoren en klimaatmonitoringsatellieten aandrijven, waardoor de detectie van subtiele signalen van het aardse systeem wordt verbeterd. Ze bieden bovendien nauwkeurigere tijdreferenties die nieuwe meetniveaus mogelijk maken voor zeespiegelstijging, tektonische verschuivingen en ondergrondse kaartvorming.

In de wereld van AI kunnen modellen die data combineren met gedistribueerde sensoren voor slimme fabrieken, precisielandbouw of financiële handel profiteren van nauwkeurige atoomklokken. Ze kunnen ook helpen bij kwantum‑verbeterde AI‑hardware, waarbij kwantumtijdmeting foutgevoelige kwantumprocessoren die voor machine learning worden gebruikt kan stabiliseren. Betrouwbare qubit‑controle hangt immers af van precieze timing en fase‑coherentie.

Van autonome voertuigen tot drones en robots, allen vertrouwen op GPS-navigatie en lokale klokken. Zeer nauwkeurige kwantumklokken kunnen hier ‘GPS‑ontzeggende’ navigatie mogelijk maken. Ze kunnen ook robotzwermen helpen beter te coördineren voor complexe taken zoals gedistribueerde kaartvorming en zoek‑en‑reddingsoperaties.

Communicatie is een ander veld dat sterk kan profiteren van deze klokken qua bereik en stabiliteit. Toekomstige draadloze en fotonische netwerken zullen ook profiteren, omdat ze ultra‑precise timing vereisen voor low‑latency edge computing en apparaat‑handover.

Investeren in de geavanceerde meetindustrie

Honeywell International (HON ) is een leider in geavanceerde meetsystemen, inclusief zeer precieze timingapparaten, atoomkloktechnologieën voor de lucht- en ruimtevaart en defensie, en zelfs kwantumcomputing via Quantinuum, gevormd door de fusie van Cambridge Quantum en Honeywell.

Het bedrijf opereert voornamelijk via:

Lucht- en ruimtevaarttechnologieën

• Levert producten, software en diensten voor vliegtuigen.
• Bedient apparatuurfabrikanten, luchttransport en de luchtvaartsector.

Industriële automatisering

• Biedt automatiseringsoplossingen voor intelligente, duurzame en veilige operaties.
• Richt zich op industrieën zoals petrochemie en levenswetenschappen.

Gebouwautomatisering

• Levert oplossingen om veilige en duurzame faciliteiten te waarborgen.

Energie‑ en duurzaamheidsoplossingen

• Biedt licentiemogelijkheden geïntegreerd met materiaalkunde en chemie.

Honeywell International (HON )

Honeywell heeft een marktkapitalisatie van $154,5 miljard met aandelen die momenteel op een nieuw hoogtepunt van $241 handelen, een stijging van 6,4% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 8,70 en een P/E (TTM) van 27,62, terwijl het dividendrendement 1,88% bedraagt.

Voor Q1 2025 rapporteerde het bedrijf een omzet van $9,8 miljard en een winst per aandeel van $2,22. In deze periode gebruikte Honeywell $2,9 miljard voor aandeleninkoop, dividenden en kapitaalinvesteringen.

“Honeywell begon het jaar uitzonderlijk goed, overtrof de richtlijnen op alle metrics, gedreven door solide organische groei. Voor het derde opeenvolgende kwartaal leverden we zowel sequentiële als jaar‑over‑jaar backloggroei, gedreven door gezonde ordercijfers en blijvende klantvraag naar onze gedifferentieerde aanbiedingen.”

– CEO Vimal Kapur

Conclusie

Kwantumverbeterde tijdmeting toont aan dat met voortdurende experimenten zelfs de meest fundamentele limieten in de fysica kunnen worden heroverwogen. Met het nieuwste onderzoek, naarmate ons begrip van kwantumthermodynamica vordert, zal ook ons vermogen om de tijd met grote precisie te meten toenemen.

Door slimme architecturen te combineren en diepgaande kennis van entropie, dagen onderzoekers oude aannames over energie‑ en entropiekosten uit en banen ze de weg voor een nieuw tijdperk van hyper‑nauwkeurige systemen met verstrekkende impact op technologie, infrastructuur, wetenschap en het universum.

Gerefereerde studies:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Precision is Not Limited by the Second Law of Thermodynamics. 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. Measuring the Thermodynamic Cost of Timekeeping. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029