Przełamywanie ograniczeń termodynamicznych: przyszłość pomiaru czasu

Nowe badanie ujawnia, że dokładność efektów kwantowych¹ jest lepsze niż oczekiwano. Badania te zostały przeprowadzone w ramach wykorzystania przez naukowców z TU Wien i ich współpracowników metrologii kwantowej w zegarze atomowym.

Zegar atomowy wykorzystuje kwantowe właściwości atomów do pomiaru czasu znacznie dokładniej niż konwencjonalne zegary. Ci najdokładniejsi chronometrażyści na świecie są znani z bezprecedensowej dokładności, ponieważ wykorzystują lasery do pomiaru drgań atomów, które oscylują ze stałą częstotliwością.

Ale jeśli chodzi o podstawowe prawa fizyki kwantowej, zawsze istnieje pewna niepewność, więc należy się spodziewać pewnej ilości szumu statystycznego i trzeba go zaakceptować. Ten szum lub losowość ograniczają osiąganą dokładność. 

Zegary atomowe mogłyby być jeszcze dokładniejsze i, jeśli potrafiłyby dokładniej mierzyć drgania atomów, byłyby wystarczająco czułe, aby identyfikować zjawiska takie jak ciemna materia, a także pomóc odpowiedzieć na pytania, na przykład jaki wpływ grawitacja może mieć na upływ czasu.

Co ciekawe, uważa się, że aby zegar atomowy był dokładniejszy, potrzeba więcej energii, aby osiągnąć tę precyzję. 

W 2021 r eksperyment² doniesiono o ograniczeniu dokładności zegarów, ponieważ natura narzuca podstawowy koszt energetyczny na odmierzanie czasu. Zgodnie z badaniami zegary, które mierzą czas dokładniej, zużywają więcej energii niż ich mniej dokładne odpowiedniki. 

Podstawową zasadą termodynamiki jest to, że energia zawsze przepływa od obiektów gorących do zimnych. Odwrócenie tego przepływu (np. w lodówce) oznacza, że ​​musimy za nią zapłacić gdzie indziej.

Tak więc prawo, że zegar wymaga co najmniej dwa razy więcej energii, aby być dwa razy dokładniejszym, wydawało się niezmienne – aż do teraz.

Zespół naukowców z TU Wien, Uniwersytetu Maltańskiego i Chalmers University of Technology wykazał, że stosując specjalne sztuczki, możemy wykładniczo zwiększyć dokładność. 

Kluczową kwestią jest zastosowanie dwóch różnych skal czasu, podobnie jak w standardowym zegarze ze wskazówką minutową i sekundową.

Jak fizyka kwantowa zmienia definicję kosztu entropii czasu

Urządzenia fizyczne działające poza równowagą są pod wpływem fluktuacji termicznych (losowych odchyleń układu od jego średniego stanu), które ograniczają dokładność ich działania. Problem ten jest bardziej zauważalny w małych i kwantowych skalach, gdzie potrzebujemy rozpraszania entropii, aby go złagodzić.

W przypadku zegarów do pomiaru czasu konieczny jest strumień termodynamiczny w kierunku równowagi, co skutkuje minimalnym rozproszeniem entropii na tyk. 

Chociaż zarówno klasyczne, jak i modele kwantowe wykazują tendencję do wykazywania liniowego związku między precyzją i rozproszeniem, jednak związek ten nie jest jeszcze tak jasny. 

W dążeniu do stworzenia najdokładniejszych zegarów atomowych, które w przyszłości mogłyby być zasilane energią jądrową, koszty te nie są najpilniejszą kwestią, ale w przypadku małych, autonomicznych układów sterowania kwantowego dokładna relacja między rozpraszaniem a precyzją może stanowić potencjalny problem praktyczny. 

Mając to na uwadze, naukowcy zaprezentowali teraz autonomiczny model zegara kwantowego, którego dokładność rośnie wykładniczo wraz z rozpraszaniem entropii. 

To osiągnięcie jest możliwe dzięki spójnemu transportowi w łańcuchu spinowym ze spersonalizowanymi sprzężeniami, gdzie rozpraszanie entropii jest ograniczone do pojedynczego ogniwa, jak stwierdzono w badaniu. Wyniki pokazują, że spójna dynamika kwantowa może przekroczyć granice precyzji tradycyjnej termodynamiki, potencjalnie pomagając w rozwoju przyszłych urządzeń kwantowych o niskiej rozpraszalności i wysokiej precyzji.

„Przeprowadziliśmy analizę teoretyczną, które zegary mogłyby być możliwe do zbudowania”.

– Profesor Marcus Huber z Instytutu Atomowego na Uniwersytecie Technicznym w Wiedniu

Wyjaśnił, że zegar potrzebuje dwóch komponentów. Pierwszym z nich jest generator oparty na czasie, taki jak oscylacja kwantowa lub wahadło. Drugim jest licznik, czyli element zliczający jednostki czasu, zdefiniowane przez generator podstawy czasu, które upłynęły.

Generator podstawy czasu zawsze powraca dokładnie do tego samego stanu lub wahadło znajduje się dokładnie w tym samym miejscu, w którym było przed zakończeniem jednego drgania. 

Tymczasem w zegarze atomowym atom cezu powraca do tego samego stanu, w jakim był wcześniej, po określonej liczbie oscylacji. Jednak licznik musi się zmienić, aby zegar był użyteczny.

„Oznacza to, że każdy zegar musi być połączony z nieodwracalnym procesem. W języku termodynamiki oznacza to, że każdy zegar zwiększa entropię we wszechświecie; w przeciwnym razie nie jest zegarem”. 

– Florian Meier z TU Wien

W zegarze wahadłowym wahadło generuje trochę ciepła i nieporządku wśród cząsteczek powietrza wokół niego. W przypadku zegara atomowego każda wiązka lasera, która odczytuje stan zegara, generuje ciepło, a także promieniowanie, a zatem entropię. Według Marcusa Hubera:

„Możemy teraz rozważyć, ile entropii musiałby wygenerować hipotetyczny zegar o ekstremalnie wysokiej precyzji – i odpowiednio, ile energii taki zegar by potrzebował. Do tej pory wydawało się, że istnieje liniowa zależność: jeśli chcesz tysiąc razy większą precyzję, musisz wygenerować co najmniej tysiąc razy więcej entropii i zużyć tysiąc razy więcej energii”.

Jednak zespół z TU Wien, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Maltańskiego, Uniwersytetu Technicznego Chalmersa i Austriackiej Akademii Nauk (ÖAW), wykazał, że tę tzw. regułę można obejść, stosując dwie różne skale czasowe.

Na przykład, jak podaje Meier, cząsteczki przemieszczające się z jednego obszaru do drugiego można wykorzystać do pomiaru czasu, podobnie jak ziarenka piasku spadające z góry szklanki na dół.

Serię takich urządzeń do pomiaru czasu można połączyć szeregowo, a następnie można policzyć, ile z nich już minęło. Byłoby to podobne do tego, jak większa wskazówka zegara liczy liczbę okrążeń, które mniejsza wskazówka zegara już ukończyła.

„W ten sposób można zwiększyć dokładność, ale nie bez zainwestowania większej ilości energii” — powiedział Marcus Huber. „Ponieważ za każdym razem, gdy jedna wskazówka zegara wykonuje pełny obrót, a druga wskazówka zegara jest mierzona w nowej lokalizacji — można również powiedzieć, że za każdym razem, gdy otoczenie zauważa, że ​​wskazówka ta przesunęła się w nowe miejsce — entropia wzrasta. Ten proces liczenia jest nieodwracalny”.

Jeszcze innym rodzajem transportu cząstek, na który pozwala fizyka kwantowa, jest podróż przez całą strukturę. Tutaj cząstki przemieszczają się przez tarczę zegara bez pomiaru.

Podczas tego procesu cząstka, w pewnym sensie, jest wszędzie, bez jasno określonej lokalizacji, aż w końcu dotrze do celu. Wtedy cząstka jest mierzona, w procesie, który jest nieodwracalny i zwiększa entropię.

Zespół ma więc dwa procesy: szybki, który nie powoduje entropii ani transportu kwantowego, i drugi, w którym cząstki docierają na samym końcu.

„Najważniejszą rzeczą w naszej metodzie jest to, że jedna ręka zachowuje się wyłącznie w kategoriach fizyki kwantowej, a tylko druga, wolniejsza ręka, faktycznie generuje entropię”.

– Yuri Minoguchi z TU Wien

Zespół wykazał, że strategia ta pozwala na znaczący wzrost precyzji wraz ze wzrostem entropii, dzięki czemu możliwe jest osiągnięcie większej precyzji, niż wcześniej sądzono.

„Co więcej, teorię tę można przetestować w praktyce, wykorzystując obwody nadprzewodzące – jedną z najnowocześniejszych technologii kwantowych, jakie są obecnie dostępne”.

– Współautorka badania Simone Gasparinetti, która jest liderką zespołu eksperymentalnego w Chalmers 

Huber nazwał to kluczowym wynikiem dla badań nad wysoce dokładnymi pomiarami kwantowymi, a także tłumieniem niepożądanych fluktuacji. Co więcej, badania te, jak zauważył Huber, „pomagają nam lepiej zrozumieć jedną z wielkich tajemnic fizyki: związek między fizyką kwantową a termodynamiką”.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się, w jaki sposób tor zasila ultraprecyzyjne zegary jądrowe.

Przyszły wpływ pomiaru czasu kwantowego na ludzkość

Jednym z najcenniejszych zasobów dla nas ludzi jest czas, który jest ograniczony i nieodwracalny. Czas jest fundamentalny dla naszego istnienia i postępu.

Aby śledzić upływ czasu, ludzie stworzyli kalendarze, a wraz z rozwojem złożoności i technologii społeczeństw coraz ważniejsze stało się dokładne mierzenie czasu. 

Do pomiaru czasu potrzebne jest urządzenie oscylujące w stałym rytmie oraz urządzenie, które zlicza uderzenia i wyświetla czas. 

Doprowadziło to do opracowania zegarów, które z czasem stały się bardziej zaawansowane dzięki wahadłom i oscylatorom kwarcowym. 

Od zegarków naręcznych po zegary używane na satelitach, większość nowoczesnych zegarów nadal mierzy czas za pomocą oscylatora kwarcowego. Gdy do oscylatora zostanie przyłożone napięcie, wibruje on z precyzyjną częstotliwością, która działa jak wahadło w zegarze wahadłowym, odmierzając upływający czas.

Ale problem polegał na tym, że nie było dwóch takich samych zegarów. A wraz ze wzrostem integracji świata pojawiła się potrzeba spójnego i dokładnego sposobu pomiaru czasu. Naturalnym rozwiązaniem był zegar atomowy.

Marzenie o zegarze atomowym narodziło się tak naprawdę ponad sto lat temu, kiedy naukowcy James Maxwell i William Thompson zaproponowali ten pomysł. 

Atomy są podstawowymi elementami budulcowymi całej materii. Rdzeniem atomów jest jądro, które składa się z protonów i neutronów, otoczonych elektronami, których liczba może się różnić. Elektrony są rozmieszczone na różnych poziomach energii, poruszając się po orbitach kołowych wokół jądra. 

Ponieważ atomy pochłaniają i emitują fale świetlne o określonych częstotliwościach, naukowcy doszli do wniosku, że atomy danego pierwiastka są identyczne ze sobą i nigdy się nie zmieniają, więc częstotliwości pochłanianego i emitowanego przez nie światła również nie powinny się zmieniać. 

Chociaż pomysł pojawił się po raz pierwszy pod koniec XIX wieku, zegar atomowy opracowano dopiero znacznie później. 

Jak się okazuje, wojna ma tendencję do służenia jako potężny katalizator postępu naukowego i technologicznego. To wojna doprowadziła do wynalazków takich jak kuchenka mikrofalowa, GPS, komputery i wiele innych, które dziś mają głęboki wpływ na nasze codzienne życie. 

Zegar atomowy również pojawił się w tym czasie. W 1939 r. fizyk Isidor Rabi zaproponował, aby naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST) (wówczas National Bureau of Standards (NBS)) wykorzystali nowo opracowaną technikę rezonansu magnetycznego wiązki molekularnej, która umożliwiała precyzyjne pomiary momentów magnetycznych jąder atomowych, jako standard czasu. 

Następnie zmierzył częstotliwość, z jaką atomy cezu naturalnie pochłaniają i emitują mikrofale, która wynosiła około 9.1914 miliardów cykli na sekundę, i opowiedział o tym wiele lat później. NYT opisał to zjawisko jako „kosmiczne wahadło” wykorzystujące „częstotliwości radiowe w sercach atomów”.

Zegar wykorzystujący amoniak zaprezentowano w 1949 roku, jednak ostatecznie okazało się, że nie jest dokładniejszy od zegarów stosowanych dotychczas.

Z biegiem czasu nowe innowacje technologiczne, takie jak pompowanie optyczne, które wytwarzało znacznie silniejsze sygnały rezonansu magnetycznego i absorpcji mikrofal, oraz interferometria Ramsey'a, przeznaczona do spektroskopii wiązek molekularnych, przyczyniły się do postępu w tej dziedzinie i skłoniły inne grupy naukowe do zbadania tego samego tematu.

W 1975 roku zegar atomowy NIST był na tyle dokładny, że nie spóźniał się ani nie spieszył przez 400,000 1993 lat, a w 6 roku ich zegar atomowy stał się jeszcze dokładniejszy – nie spóźniał się ani nie spieszył przez XNUMX milionów lat. 

W 2019 r. NASA opracowała Deep Space Atomic Clock, aby pomóc uczynić nawigację statków kosmicznych do odległych miejsc, takich jak inne planety, bardziej autonomiczną. Ten będzie się spieszył o mniej niż nanosekundę po czterech dniach i mniej niż mikrosekundę po dekadzie, co jest równoważne ze spóźnieniem o zaledwie jedną sekundę co 10 milionów lat.

Zegar atomowy NASA okazał się około 50 razy bardziej stabilny od swoich odpowiedników na satelitach GPS. Udało się to osiągnąć dzięki atomom rtęci. 

„Dokładna i stabilna wartość” różnicy energii między orbitami „jest naprawdę kluczowym składnikiem zegarów atomowych” — powiedział Eric Burt, fizyk zegarów atomowych w Jet Propulsion Laboratory (JPL) w tamtym czasie. „To powód, dla którego zegary atomowe mogą osiągnąć poziom wydajności przewyższający zegary mechaniczne”.

Dokładny pomiar czasu, jaki zapewniają zegary atomowe, nie jest wymagany w codziennym życiu, ale ma głębokie implikacje w wielu innych branżach. Zegary atomowe faktycznie doprowadziły do ​​postępu w metrologii, komunikacji, zaawansowanych systemach nawigacyjnych i pozycjonowaniu satelitarnym.

Teraz wiedza zdobyta dzięki najnowszym badaniom ma na celu pobudzenie wielu kolejnych postępów. Oczekuje się, że będzie niezwykle korzystna w różnych sektorach, w tym w sztucznej inteligencji (AI), robotyce i innych wschodzących dziedzinach.

Na przykład, zasilając zaawansowane detektory fal grawitacyjnych i satelity monitorujące klimat, zegary kwantowe mogą zwiększyć wykrywanie subtelnych sygnałów systemu ziemskiego. Ponadto zapewniają dokładniejsze odniesienia czasowe, które mogą umożliwić nowe poziomy pomiaru wzrostu poziomu morza, przesunięć tektonicznych i mapowania podziemnego.

Tymczasem w świecie AI modele łączące dane z rozproszonymi czujnikami dla inteligentnych fabryk, rolnictwa precyzyjnego lub handlu finansowego mogą skorzystać z dokładnych zegarów atomowych. Może to również pomóc w sprzęcie AI wzmocnionym kwantowo, gdzie kwantowe odmierzanie czasu może stabilizować podatne na błędy procesory kwantowe używane do uczenia maszynowego. Niezawodna kontrola kubitów zależy w końcu od precyzyjnego pomiaru czasu i spójności fazowej.

Od pojazdów autonomicznych po drony i roboty, wszystkie polegają na nawigacji GPS i lokalnych zegarach. Tak więc bardzo dokładne zegary kwantowe mogą umożliwić nawigację „odmówioną GPS”. Mogą również pomóc rojom robotów lepiej koordynować złożone zadania, takie jak rozproszone mapowanie i poszukiwanie i ratownictwo.

Komunikacja to kolejna dziedzina, która może wiele zyskać na tych zegarach pod względem zasięgu i stabilności. Przyszłe sieci bezprzewodowe i fotoniczne również skorzystają, ponieważ wymagają ultraprecyzyjnego pomiaru czasu dla obliczeń brzegowych o niskim opóźnieniu i przekazywania urządzeń.

Inwestowanie w branżę zaawansowanych pomiarów

Honeywell International (HON ) jest liderem w dziedzinie zaawansowanych systemów pomiarowych, obejmujących niezwykle precyzyjne urządzenia pomiarowe, technologie zegarów atomowych dla przemysłu lotniczego i obronnego oraz nawet komputery kwantowe przez Quantinuumpowstała w wyniku fuzji Cambridge Quantum i Honeywell. 

Działalność spółki opiera się głównie na:

Technologie lotnicze i kosmiczne

• Dostarcza produkty, oprogramowanie i usługi dla lotnictwa.
• Obsługuje producentów sprzętu, transport lotniczy i sektor lotniczy.

Automatyka przemysłowa

• Dostarcza rozwiązania automatyzacyjne dla inteligentnych, zrównoważonych i bezpiecznych operacji.
• Dotyczy branż takich jak petrochemia i nauki przyrodnicze.

Automatyka budynkowa

• Dostarcza rozwiązania zapewniające bezpieczeństwo i zrównoważony rozwój obiektów.

Rozwiązania w zakresie energii i zrównoważonego rozwoju

• Oferuje możliwości licencjonowania zintegrowane z nauką o materiałach i chemią.

Honeywell International (HON )

Honeywell ma kapitalizację rynkową w wysokości 154.5 mld USD, a jego akcje są obecnie notowane na nowych szczytach na poziomie 241 USD, co stanowi wzrost o 6.4% YTD. Ma EPS (TTM) na poziomie 8.70 i P/E (TTM) na poziomie 27.62, a oferowana stopa dywidendy wynosi 1.88%.

W pierwszym kwartale 1 r. firma odnotowała sprzedaż na poziomie 2025 mld USD i zysk na akcję w wysokości 9.8 USD. W tym okresie Honeywell wykorzystał 2.22 mld USD na odkup akcji, dywidendy i wydatki kapitałowe.

„Honeywell rozpoczął rok wyjątkowo dobrze, przekraczając wytyczne we wszystkich wskaźnikach, dzięki solidnemu wzrostowi organicznemu. W trzecim kwartale z rzędu odnotowaliśmy zarówno sekwencyjny, jak i rok do roku wzrost zaległości, napędzany przez wysokie wskaźniki zamówień i ciągły popyt klientów na nasze zróżnicowane oferty”.

– Dyrektor generalny Vimal Kapur

Wniosek

Pomiar czasu wspomagany kwantowo pokazuje, że dzięki ciągłym eksperymentom można przemyśleć na nowo nawet najbardziej fundamentalne ograniczenia fizyki. Dzięki najnowszym badaniom, w miarę jak rozwija się nasza wiedza na temat termodynamiki kwantowej, tak samo będzie z naszą zdolnością do mierzenia czasu z dużą precyzją. 

Łącząc inteligentne architektury i dogłębną wiedzę na temat entropii, naukowcy kwestionują stare założenia dotyczące kosztów energii i entropii, torując drogę nowej erze hiperdokładnych systemów, które będą miały daleko idące konsekwencje dla technologii, infrastruktury, nauki i wszechświata.

Przywoływane badania:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Precyzja nie jest ograniczona przez drugą zasadę termodynamiki. Nat. Phys. 2025, Advance publikacja online. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, AN; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, EA; Briggs, GAD; Huber, M.; Ares, N. Pomiar termodynamicznego kosztu pomiaru czasu. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029