Bryter termodynamiske grenser: Fremtiden for tidtaking

En ny studie avslører at nøyaktigheten til kvanteeffekter¹ er bedre enn forventet. Studien kommer samtidig som forskere fra TU Wien og samarbeidspartnere bruker kvantemetrologi for atomklokken.

En atomklokke bruker atomenes kvanteegenskaper for å måle tid langt mer nøyaktig enn konvensjonelle klokker. Disse mest presise tidtakerne i verden er kjent for sin enestående nøyaktighet ved å bruke laser til å måle atomers vibrasjoner, som oscillerer med en konstant frekvens.

Men når det gjelder de grunnleggende lovene i kvantefysikken, er det alltid en viss usikkerhet, så en viss mengde statistisk støy er å forvente og må aksepteres. Denne støyen eller tilfeldigheten setter en grense for den oppnådde nøyaktigheten. 

Dermed kan atomklokker bli enda mer presise, og hvis de kan måle atomvibrasjoner mer nøyaktig, vil de være følsomme nok til å identifisere fenomener som mørk materie og hjelpe til med å svare på spørsmål som hvilken effekt gravitasjon kan ha på tidens gang.

Interessant nok antas det at en atomklokke som skal være mer nøyaktig, trenger mer energi for å oppnå den presisjonen. 

Tilbake i 2021 rapporterte en eksperiment² en grense for klokkenes nøyaktighet med naturen som pålegger en fundamental energikostnad for å holde tid. Ifølge forskningen bruker klokker som måler tid mer nøyaktig mer energi enn deres mindre nøyaktige motparter. 

Et sentralt prinsipp i termodynamikken er at energi alltid strømmer fra varme objekter til kalde. Å reversere denne strømmen (som i et kjøleskap) betyr at vi må betale for det et annet sted.

Dermed virker det som om en klokke som krever minst dobbelt så mye energi for å være dobbelt så nøyaktig, er en uforanderlig lov – inntil nå.

Et team av forskere fra TU Wien, Universitetet i Malta og Chalmers University of Technology har vist at ved å bruke spesielle triks kan vi øke nøyaktigheten eksponentielt. 

Hovedpoenget her er å bruke to forskjellige tidsskalaer, på samme måte som en vanlig klokke har en minutthånd og en sekundhånd.

Hvordan kvantefysikk redefinerer entropikostnaden for tid

Fysiske enheter som opererer utenfor likevekt påvirkes av termiske fluktuasjoner (tilfeldige avvik fra et systems gjennomsnittstilstand), som begrenser nøyaktigheten i deres drift. Dette problemet er mer merkbart på svært små og kvante skalaer, hvor vi trenger entropi‑dissipasjon for å dempe det.

I tilfelle av klokker er en termodynamisk strøm mot likevekt nødvendig for å måle tid, noe som resulterer i en minimum entropi‑dissipasjon per tikktak. 

Selv om både klassiske og kvante‑modeller har en tendens til å vise en lineær sammenheng mellom presisjon og dissipasjon, er forholdet fortsatt ikke helt klart. 

I jakten på de mest nøyaktige atom‑baserte klokkene, som muligens kan gå over til nukleær kraft i fremtiden, er disse kostnadene ikke den mest presserende bekymringen, men for små, selvstendige kvante‑kontroller er det eksakte forholdet mellom dissipasjon og presisjon potensielt en praktisk utfordring. 

Med dette i bakhodet har forskerne nå presentert en autonom kvanteklokke‑modell som har oppnådd en presisjon som skalerer eksponentielt med entropi‑dissipasjon. 

Denne prestasjonen muliggjøres av koherent transport i en spinkjede med tilpassede koblinger, hvor entropi‑dissipasjon er begrenset til en enkelt lenke, ifølge studien. Resultatene viser at koherent kvante‑dynamikk kan overgå presisjonsgrensene til tradisjonell termodynamikk, og potensielt bidra til utviklingen av fremtidige lav‑dissipasjon, høy‑presisjon kvante‑enheter.

«Vi har analysert i prinsippet hvilke klokker som teoretisk sett kunne være mulige.»

– Professor Marcus Huber fra Atomic Institute ved TU Wien

Han forklarte at en klokke trenger to komponenter. Den første er en tids‑generator, som en kvante‑oscillasjon eller en pendel. Den andre er en teller, som er et element som teller tidsenhetene, definert av tids‑generatoren, som har gått.

Tids‑generatoren returnerer alltid til nøyaktig samme tilstand, eller pendelen er nøyaktig der den var før den fullførte én oscillasjon. 

I en atomklokke returnerer cesium‑atomet til nøyaktig samme tilstand som før, etter et visst antall oscillasjoner. Telleren må imidlertid endres for at klokken skal være nyttig.

«Dette betyr at hver klokke må kobles til en irreversibel prosess. I termodynamikkens språk betyr dette at hver klokke øker entropien i universet; ellers er den ikke en klokke.» 

– Florian Meier fra TU Wien

I en pendelklokke genererer pendelen noe varme og uorden blant luftmolekylene rundt den. I en atomklokke genererer hver laserstråle som leser klokkens tilstand både varme og stråling og dermed entropi. Ifølge Marcus Huber:

«Vi kan nå vurdere hvor mye entropi en hypotetisk klokke med ekstremt høy presisjon måtte generere – og dermed hvor mye energi en slik klokke ville trenge. Inntil nå så det ut til å være en lineær sammenheng: hvis du vil ha tusen ganger presisjon, må du generere minst tusen ganger så mye entropi og bruke tusen ganger så mye energi.»

Men teamet fra TU Wien, i samarbeid med forskere fra Universitetet i Malta, Chalmers University of Technology og den Østerrikske Akademien for Vitenskap (ÖAW), har nå demonstrert at denne såkalte regelen kan omgås ved å bruke to forskjellige tidsskalaer.

For eksempel, som Meier delte, kan partikler som beveger seg fra ett område til et annet brukes til å måle tid, på samme måte som sandkorn gjør ved å falle fra toppen av glasset til bunnen.

En serie av slike tids‑målingsenheter kan kobles i serie, og så kan du telle akkurat hvor mange av dem som allerede har passert. Dette ville være likt hvordan den større klokkehånden teller antall runder den mindre hånden allerede har fullført.

«På denne måten kan du øke presisjonen, men ikke uten å investere mer energi,» sa Marcus Huber. «Fordi hver gang en klokkehånd fullfører en full rotasjon og den andre hånden blir målt på en ny posisjon – du kan også si hver gang omgivelsene merker at denne hånden har flyttet til en ny posisjon – øker entropien. Denne telleprosessen er irreversibel.»

En annen type partikkeltransport tillatt av kvantefysikk er å reise gjennom hele strukturen. Her reiser partikler over klokkens skive uten å bli målt.

Under denne prosessen er partikkelen, på en måte, overalt uten en klart definert posisjon inntil den faktisk ankommer til slutt. Det er da partikkelen blir målt, i en prosess som er irreversibel og øker entropi.

Så teamet har to prosesser: en rask som ikke resulterer i entropi‑ eller kvante‑transport, og den andre hvor partiklene ankommer helt til slutt.

«Det avgjørende med metoden vår er at den ene hånd oppfører seg rent kvantemessig, mens kun den andre, langsommere hånd faktisk har en entropi‑genererende effekt.»

– Yuri Minoguchi fra TU Wien

Teamet har demonstrert at strategien tillater en betydelig økning i presisjon med hver økning i entropi, så høyere presisjon enn tidligere antatt mulig kan oppnås.

«Dessuten kan teorien testes i den virkelige verden ved bruk av superledende kretser, en av de mest avanserte kvanteteknologiene som er tilgjengelige i dag.»

– Studie‑medforfatter Simone Gasparinetti, som leder det eksperimentelle teamet ved Chalmers 

Huber kalte dette et kritisk resultat for forskning på svært nøyaktige kvantemålinger samt undertrykkelse av uønskede fluktuasjoner. Videre, som Huber bemerket, «hjelper dette oss å bedre forstå ett av fysikkens store mysterier: sammenhengen mellom kvantefysikk og termodynamikk.»

Klikk her for å lære hvordan thorium driver ultra‑presise nukleære klokker.

Fremtidig påvirkning av kvante‑tidtaking på menneskeheten

En av de mest verdifulle ressursene for oss mennesker er tid, som er begrenset og irreversibel. Tid er grunnleggende for vår eksistens og fremgang.

For å holde styr på tiden utviklet folk kalendere, og etter hvert som samfunn ble mer komplekse og teknologiske, ble det viktigere med nøyaktig tidtaking. 

Det som trengs for tidtaking er noe som oscillerer med en jevn takt og noe som teller disse taktene samt viser tiden. 

Dette førte til utviklingen av klokker, som ble mer sofistikerte over tid med pendler og kvarts‑oscillatorer. 

Fra armbåndsur til klokker brukt på satellitter, bruker de fleste moderne klokker fortsatt tid ved hjelp av en kvarts‑krystall‑oscillator. Når en spenning påføres oscillatoren, vibrerer den med en presis frekvens, som fungerer som pendelen i en pendelklokke, og tikker av den forløpte tiden.

Problemet var at ingen to klokker var like. Og med en stadig mer integrert verden, var det behov for en konsistent og nøyaktig måte å måle tid på. En atomklokke var en naturlig løsning.

Drømmen om atomklokken startet faktisk for mer enn et århundre siden da forskerne James Maxwell og William Thompson foreslo ideen. 

Atomer er de grunnleggende byggeklossene i all materie. I kjernen av atomer finnes protoner og nøytroner, omgitt av elektroner som kan variere i antall. Elektroner er ordnet i distinkte energinivåer og beveger seg i sirkulære baner rundt kjernen. 

Når atomer absorberer og emitterer lysbølger med spesifikke frekvenser, resonnerte forskerne med at atomer av et bestemt element er identiske og aldri endrer seg, så frekvensene de absorberer og emitterer også bør være konstante. 

Selv om ideen først dukket opp på slutten av 1800‑tallet, ble en atomklokke faktisk utviklet først mye senere. 

Som det ofte skjer, fungerer krig som en kraftig katalysator for vitenskapelige og teknologiske fremskritt. Det var krig som førte til oppfinnelser som mikrobølgeovn, GPS, datamaskiner og mer, som i dag har dype effekter på vårt daglige liv. 

Atomklokken kom også på et slikt tidspunkt. I 1939 foreslo fysikeren Isidor Rabi at forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) (National Bureau of Standards (NBS) på den tiden) skulle bruke den nyutviklede molekylstråle‑magnetiske resonans‑teknikken som ga presise målinger av kjerne‑magnetiske momenter som tidsstandard. 

Han målte deretter frekvensen som cesium‑atomer naturlig absorberer og emitterer mikrobølger med, rundt 9,1914 milliarder sykluser per sekund, og omtalt den år senere som en “kosmisk pendel” som slår på “radiofrekvenser i atomenes hjerter”, ifølge NYT.

En klokke basert på ammoniakk ble demonstrert i 1949, men den viste seg til slutt ikke å være mer nøyaktig enn eksisterende.

Over tid førte nye teknologiske innovasjoner som optisk pumping – som skapte mye sterkere magnetisk resonans og mikrobølge‑absorpsjonssignaler – og Ramsey‑interferometri – brukt for molekylstrålespektroskopi – til fremskritt i feltet og fikk andre vitenskapelige grupper til å studere det samme.

Innen 1975 var NIST‑atomklokken så nøyaktig at den verken gikk frem eller tilbake med ett sekund på 400 000 år, mens i 1993 ble deres atomklokke enda mer presis, uten tap eller gevinst av ett sekund på 6 millioner år. 

I 2019 utviklet NASA Deep Space Atomic Clock for å gjøre romfartøy‑navigasjon til fjerne destinasjoner som andre planeter mer autonom. Denne vil avvike med mindre enn ett nanosekund etter fire dager og mindre enn ett mikrosekund etter et tiår, tilsvarende kun ett sekund hvert 10 millioner år.

NASAs atomklokke var omtrent 50 ganger mer stabil enn sine motparter på GPS‑satellitter, og dette ble oppnådd med hjelp av kvikksølv‑atomer. 

Den “presise og stabile verdien” av energiforskjellen mellom orbitaler “er egentlig den viktigste ingrediensen for atomklokker,” sa Eric Burt, en atomklokke‑fysiker ved Jet Propulsion Laboratory (JPL) på den tiden. “Det er grunnen til at atomklokker kan oppnå et ytelsesnivå som overgår mekaniske klokker.”

Den typen presise tidtaking som atomklokker produserer er ikke nødvendig for hverdagsliv, men har dype implikasjoner i mange andre industrier. Atomklokker har faktisk ført til fremskritt innen metrologi, kommunikasjon, avanserte navigasjonssystemer og satellitt‑basert posisjonering.

Nå er kunnskapen fra den nyeste forskningen ment å drive mange flere fremskritt. Den forventes å være ekstremt gunstig på tvers av sektorer, inkludert kunstig intelligens (AI), robotikk og andre fremvoksende felt.

For eksempel, ved å drive avanserte gravitasjons‑bølge‑detektorer og klima‑overvåknings‑satellitter, kan kvanteklokker øke oppdagelsen av subtile jordsystem‑signaler. De gir også mer presise tidsreferanser som kan muliggjøre nye nivåer av måling for havnivåstigning, tektoniske forskyvninger og underjordisk kartlegging.

I AI‑verdenen kan modeller som kombinerer data med distribuerte sensorer for smarte fabrikker, presis jordbruk eller finansiell handel dra nytte av nøyaktige atomklokker. Det kan også hjelpe med kvante‑forsterket AI‑maskinvare, hvor kvante‑tidtaking kan stabilisere feil‑utsatte kvante‑prosessorer brukt til maskinlæring. Pålitelig qubit‑kontroll avhenger jo av presis timing og fase‑koherens.

Fra autonome kjøretøy til droner og roboter, er de alle avhengige av GPS‑navigasjon og lokale klokker. Så svært presise kvanteklokker kan muliggjøre ‘GPS‑fraværende’ navigasjon. De kan også hjelpe robot‑svermer med bedre koordinering for komplekse oppgaver som distribuert kartlegging og søk‑og‑redning.

Kommunikasjon er et annet felt som kan dra stor nytte av disse klokkene når det gjelder rekkevidde og stabilitet. Fremtidige trådløse og fotoniske nettverk vil også ha nytte av ultra‑presis timing for lav‑latens kant‑databehandling og enhets‑overganger.

Investering i den avanserte måleindustrien

Honeywell International (HON ) er en leder innen avanserte målesystemer, inkludert svært presise tidsenheter, atomklokkteknologier for luftfart og forsvar, og selv kvanteberegning gjennom Quantinuum, dannet av fusjonen mellom Cambridge Quantum og Honeywell. 

Selskapet opererer hovedsakelig gjennom:

Aerospace Technologies

• Leverer produkter, programvare og tjenester for fly.
• Tjener utstyrsprodusenter, lufttransport og luftfartssektoren.

Industrial Automation

• Tilbyr automatiseringsløsninger for intelligente, bærekraftige og sikre operasjoner.
• Retter seg mot industrier som petrokjemi og livsvitenskap.

Building Automation

• Leverer løsninger for å sikre trygge og bærekraftige fasiliteter.

Energy and Sustainability Solutions

• Tilbyr lisensieringsmuligheter integrert med materialvitenskap og kjemi.

Honeywell International (HON )

Honeywell har en markedsverdi på 154,5 milliarder dollar, med aksjene som for tiden handles på nye høyder på 241 $, opp 6,4 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 8,70 og en P/E (TTM) på 27,62, mens utbytteavkastningen er 1,88 %.

For Q1 2025 rapporterte selskapet en omsetning på 9,8 milliarder dollar og inntjening per aksje på 2,22 $. I denne perioden brukte Honeywell 2,9 milliarder dollar til aksjetilbakekjøp, utbytte og kapitalutgifter.

«Honeywell startet året eksepsjonelt bra, overgikk veiledning på alle mål, ledet av solid organisk vekst. For tredje kvartal på rad leverte vi både sekvensiell og år‑over‑år backlog‑vekst, drevet av sunne ordre‑rater og vedvarende kundedemand for våre differensierte tilbud.»

– CEO Vimal Kapur

Konklusjon

Kvante‑forsterket tidtaking viser at med fortsatte eksperimenter kan selv de mest grunnleggende begrensningene i fysikken revurderes. Med den nyeste forskningen, etter hvert som vår forståelse av kvante‑termodynamikk avanserer, vil også vår evne til å måle tid med stor presisjon forbedres. 

Ved å kombinere smarte arkitekturer og dyp kunnskap om entropi, utfordrer forskerne gamle antakelser om energi‑ og entropikostnader og baner vei for en ny æra av hyper‑presise systemer med vidtrekkende innvirkning på teknologi, infrastruktur, vitenskap og universet.

Studier referert:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Presisjon er ikke begrenset av termodynamikkens andre 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 av den termodynamiske kostnaden for tidtaking. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029