Bryter termodynamiska gränser: Framtiden för tidmätning

En ny studie visar att noggrannheten hos kvanteffekter¹ är bättre än förväntat. Denna studie kommer när forskare från TU Wien och samarbetspartners använder kvantmetrologi för den atomära klockan.

En atomklocka använder de kvantmekaniska egenskaperna hos atomer för att mäta tid mycket mer exakt än konventionella klockor. Dessa mest precisa tidshållare i världen är kända för sin enastående noggrannhet genom att använda laser för att mäta atomernas vibrationer, som oscillerar med en konstant frekvens.

När det gäller de grundläggande lagarna i kvantfysik finns det alltid viss osäkerhet, så en viss mängd statistiskt brus förväntas och måste accepteras. Detta brus eller slumpmässighet sätter en gräns för den uppnådda noggrannheten.

Således kan atomklockor bli ännu mer precisa, och om de kan mäta atomvibrationer mer exakt skulle de vara tillräckligt känsliga för att identifiera fenomen som mörk materia och hjälpa till att besvara frågor som vilken effekt gravitation kan ha på tidens gång.

Intressant nog tror man att en atomklocka för att bli mer exakt kräver mer energi för att uppnå den precisionen.

Tillbaka år 2021 rapporterade ett experiment² en gräns för klockornas noggrannhet där naturen påtvingar en grundläggande energikostnad för att hålla tid. Enligt forskningen förbrukar klockor som mäter tid mer exakt mer energi än deras mindre exakta motsvarigheter.

En nyckelprincip inom termodynamik är att energi alltid flödar från varma objekt till kalla, och att vända detta flöde (som i ett kylskåp) innebär att vi måste betala för det någon annanstans.

Alltså verkar en klocka som kräver minst dubbelt så mycket energi för att vara dubbelt så exakt vara en oföränderlig lag, tills nu.

Ett team av forskare från TU Wien, University of Malta och Chalmers University of Technology har visat att genom att använda speciella knep kan vi öka noggrannheten exponentiellt.

Den avgörande punkten här är att använda två olika tidskala, ungefär som en vanlig klocka har en minutvisare och en sekundvisare.

Hur kvantfysik omdefinierar entropikostnaden för tid

Fysiska enheter som arbetar ur jämvikt påverkas av termiska fluktuationer (slumpmässiga avvikelser i ett system från dess genomsnittliga tillstånd), vilket begränsar deras driftsnoggrannhet. Detta problem blir mer märkbart på mycket små och kvantnivåer, där vi behöver entropiavledning för att mildra det.

När det gäller klockor krävs ett termodynamiskt flöde mot jämvikt för att mäta tid, vilket resulterar i en minimal entropiavledning per tick.

Även om både klassiska och kvantmodeller tenderar att visa ett linjärt samband mellan precision och avledning, är förhållandet fortfarande inte helt tydligt.

I jakten på de mest exakta atombaserade klockorna, som eventuellt kan övergå till kärnkraft i framtiden, är dessa kostnader inte det mest akuta problemet, men för små, självständiga kvantkontroller kan det exakta sambandet mellan avledning och precision vara en praktisk fråga.

Med detta i åtanke har forskarna nu presenterat en autonom kvantklockmodell som har uppnått en precision som skalar exponentiellt med entropiavledningen.

Denna prestation möjliggörs av koherent transport i en spinkedja med anpassade kopplingar, där entropiavledning är begränsad till en enda länk, enligt studien. Resultaten visar att koherenta kvantdynamiker kan överträffa de traditionella termodynamikens precisionsgränser, vilket potentiellt kan hjälpa utvecklingen av framtida lågavledande, högprecisions‑kvantapparater.

“Vi har analyserat i princip vilka klockor som teoretiskt kan vara möjliga.”

– Professor Marcus Huber från Atomic Institute vid TU Wien

Han förklarade att en klocka behöver två komponenter. Den första är en tidsbaserad generator, som en kvantoscillation eller en pendel. Den andra är en räknare, ett element som räknar de tidsenheter som definieras av tidsbasgeneratorn som har passerat.

Tidsbasgeneratorn återvänder alltid exakt till samma tillstånd, eller pendeln är exakt där den var innan den fullbordade en oscillation.

Samtidigt återvänder i en atomklocka cesiumatomen till exakt samma tillstånd som den var i innan, efter ett visst antal oscillationer. Räknaren måste dock förändras för att klockan ska vara användbar.

“Detta innebär att varje klocka måste kopplas till en irreversibel process. I termodynamikens språk betyder detta att varje klocka ökar entropin i universum; annars är den inte en klocka.”

– Florian Meier från TU Wien

I en pendelklocka genererar pendeln viss värme och oordning bland luftmolekylerna runt den. I en atomklocka genererar varje laserstråle som läser klockans tillstånd värme samt strålning och därmed entropi. Enligt Marcus Huber:

“Vi kan nu överväga hur mycket entropi en hypotetisk klocka med extremt hög precision skulle behöva generera – och i enlighet med detta hur mycket energi en sådan klocka skulle behöva. Fram till nu verkade det finnas ett linjärt förhållande: om du vill ha tusen gånger precisionen måste du generera minst tusen gånger så mycket entropi och förbruka tusen gånger så mycket energi.”

Men teamet från TU Wien, i samarbete med forskare från University of Malta, Chalmers University of Technology och den Österrikiska vetenskapsakademien (ÖAW) har nu demonstrerat att detta så kallade regel kan kringgås genom att använda två olika tidskala.

Till exempel, som Meier delade, kan partiklar som rör sig från ett område till ett annat användas för att mäta tid, ungefär som sandkorn som faller från toppen av ett glas till botten.

En serie av sådana tidmätande enheter kan kopplas i serie, och sedan kan man räkna hur många av dem som redan har passerat. Detta liknar hur den större klockvisaren räknar antalet varv den mindre visaren redan har fullbordat.

“På så sätt kan du öka precisionen, men inte utan att investera mer energi,” sade Marcus Huber. “För varje gång en klockvisare fullbordar en hel rotation och den andra visaren mäts på en ny plats – du kan också säga varje gång omgivningen märker att denna visare har flyttat till en ny plats – ökar entropin. Denna räknande process är irreversibel.”

Ytterligare en typ av partikeltransport som möjliggörs av kvantfysik är att färdas genom hela strukturen. Här färdas partiklar över klockans urtavla utan att mätas.

Under denna process är partikeln, på ett sätt, överallt utan en tydligt definierad plats tills den faktiskt anländer till slutet. Det är då partikeln mäts, i en process som är irreversibel och ökar entropin.

Alltså har teamet två processer: en snabb som inte resulterar i entropi eller kvanttransport, och den andra där partiklarna anländer till själva slutet.

“Det avgörande med vår metod är att en hand beter sig rent kvantfysiskt, medan endast den andra, långsammare handen faktiskt har en entropigenererande effekt.”

– Yuri Minoguchi från TU Wien

Teamet har demonstrerat att strategin möjliggör en betydande ökning av precisionen för varje ökning av entropi, så högre precision än tidigare trodd möjligt kan uppnås.

“Dessutom kan teorin testas i verkligheten med hjälp av supraledande kretsar, en av de mest avancerade kvantteknologierna som finns tillgängliga idag.”

– Studie medförfattare Simone Gasparinetti, som leder det experimentella teamet vid Chalmers

Huber kallade detta ett avgörande resultat för forskning om högprecisa kvantmätningar samt för att undertrycka oönskade fluktuationer. Dessutom, enligt Huber, “hjälper det oss att bättre förstå ett av fysikens stora mysterier: kopplingen mellan kvantfysik och termodynamik.”
Klicka här för att lära dig hur torium driver ultra‑precisa nukleära klockor.

Den framtida påverkan av kvanttidtagning på mänskligheten

En av de mest värdefulla resurserna för oss människor är tid, som är begränsad och oåterkallelig. Tid är grundläggande för vår existens och vår utveckling.

För att hålla reda på vår tid utvecklade människor kalendrar, och när samhällena blev mer komplexa och teknologiska blev exakt tidtagning allt viktigare.

Vad tidtagning behöver är något som oscillerar med ett jämnt slag och något annat som räknar dessa slag samt visar tiden.

Detta ledde till utvecklingen av klockor, som med tiden blev mer sofistikerade med pendlar och kvartsoscillatorer.

Från armbandsur till klockor som används på satelliter, använder de flesta moderna klockor fortfarande en kvarts kristallosillator för att hålla tid. När en spänning appliceras på oscillatorn vibrerar den med en exakt frekvens, vilket fungerar som pendeln i en pendelklocka och tickar bort den förflutna tiden.

Problemet var dock att ingen två klockor var identiska. Och när världen blev mer integrerad fanns ett behov av ett konsekvent och exakt sätt att mäta tid. En atomklocka var en naturlig lösning.

Drömmen om atomklockan började faktiskt för mer än ett sekel sedan när forskarna James Maxwell och William Thompson föreslog idén.

Atomer är de grundläggande byggstenarna i all materia. I atomens kärna finns protoner och neutroner, omgivna av elektroner som kan variera i antal. Elektronerna är placerade i distinkta energinivåer och rör sig i cirkulära banor runt kärnan.

När atomer absorberar och emitterar ljusvågor med specifika frekvenser, resonerade forskarna att atomer av ett specifikt element är identiska och oföränderliga, så deras absorptions- och emissionsfrekvenser bör också vara oförändrade.

Även om idén först uppkom i slutet av 1800-talet, tog det mycket längre tid innan en atomklocka faktiskt utvecklades.

Som så ofta är fallet fungerar krig som en kraftfull katalysator för vetenskapliga och tekniska framsteg. Det var krig som ledde till uppfinningar som mikrovågsugnen, GPS, datorer och mer, vilka idag har djupgående effekter på vårt dagliga liv.

Atomklockan kom också i en sådan tid. År 1939 föreslog fysikern Isidor Rabi att forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) (National Bureau of Standards (NBS) på den tiden) skulle använda den nyutvecklade molekylstråle-magnetresonanstekniken som gav precisa mätningar av kärnmagnetiska moment som en tidsstandard.

Han mätte sedan frekvensen där cesiumatomer naturligt absorberar och emitterar mikrovågor, omkring 9,1914 miljarder cykler per sekund, och talade om det åratal senare, vilket NYT beskrev som ett “kosmiskt pendel” som slår på “radiofrekvenser i atomernas hjärtan”.

En klocka baserad på ammoniak demonstrerades 1949, men den visade sig i slutändan inte vara mer exakt än de befintliga.

Med tiden ledde nya tekniska innovationer som optisk pumpning, som skapade mycket starkare magnetresonans- och mikrovågsabsorptionssignaler, och Ramsey-interferometri, som användes för molekylstrålespektroskopi, till framsteg inom området och fick andra forskargrupper att studera samma.

År 1975 var NIST:s atomklocka så exakt att den varken gick snabbare eller långsammare än en sekund på 400 000 år, och 1993 blev deras atomklocka ännu mer exakt, utan att gå snabbare eller långsammare än en sekund på 6 miljoner år.

År 2019 utvecklade NASA Deep Space Atomic Clock för att göra rymdfarkostnavigering till avlägsna platser som andra planeter mer autonom. Denna avviker mindre än en nanosekund efter fyra dagar och mindre än en mikrosekund efter ett decennium, vilket motsvarar en avvikelse på endast en sekund var 10 miljoner år.

NASA:s atomklocka var cirka 50 gånger mer stabil än motsvarande klockor på GPS‑satelliter, och detta uppnåddes med hjälp av kvicksilveratomer.

Det “exakta och stabila värdet” på energiskillnaden mellan banor “är verkligen den viktigaste ingrediensen för atomklockor,” sade Eric Burt, en atomklockfysiker vid Jet Propulsion Laboratory (JPL) på den tiden. “Det är anledningen till att atomklockor kan nå en prestandanivå som överstiger mekaniska klockor.”

Den typ av exakt tidtagning som atomklockor producerar krävs inte för vardagslivet, men den har djupgående implikationer i många andra industrier. Atomklockor har faktiskt lett till framsteg inom metrologi, kommunikation, avancerade navigationssystem och satellitbaserad positionering.

Nu syftar kunskapen som erhållits genom den senaste forskningen till att driva många fler framsteg. Den förväntas vara extremt fördelaktig över sektorer, inklusive artificiell intelligens (AI), robotik och andra framväxande områden.

Till exempel, genom att driva avancerade gravitationsvågsdetektorer och klimatövervakningssatelliter, kan kvantklockor öka upptäckten av subtila jordsystemssignaler. De ger dessutom mer precisa tidsreferenser som kan möjliggöra nya nivåer av mätning för havsnivåhöjning, tektoniska förskjutningar och underjordisk kartläggning.

I AI‑världen kan modeller som kombinerar data med distribuerade sensorer för smarta fabriker, precisionsodling eller finansiell handel dra nytta av exakta atomklockor. Det kan också hjälpa med kvantförstärkt AI‑hårdvara, där kvanttidtagning kan stabilisera felbenägna kvantprocessorer som används för maskininlärning. Tillförlitlig qubit‑kontroll beror nämligen på exakt timing och fas‑koherens.

Från autonoma fordon till drönare och robotar, alla är beroende av GPS‑navigering och lokala klockor. Så högprecisa kvantklockor kan möjliggöra ‘GPS‑utan‑signal’-navigering. De kan också hjälpa robotsvärmar att koordinera bättre för komplexa uppgifter som distribuerad kartläggning och räddningsinsatser.

Kommunikation är ett annat område som kan dra stor nytta av dessa klockor när det gäller räckvidd och stabilitet. Framtida trådlösa och fotoniska nätverk kommer också att gynnas eftersom de kräver ultra‑precis timing för låg‑latens edge‑computing och enhets‑överlåtelser.

Investering i den avancerade mätningsindustrin

Honeywell International (HON ) är en ledare inom avancerade mätningssystem, inklusive högprecisa tidsenheter, atomklockteknologier för rymd- och försvarssektorn, och även kvantdatorer via Quantinuum, bildat genom sammanslagningen av Cambridge Quantum och Honeywell. 

Företaget verkar främst genom:

Aerospace Technologies

• Levererar produkter, mjukvara och tjänster för flygplan.
• Betjänar utrustningstillverkare, lufttransport och flygsektorn.

Industrial Automation

• Erbjuder automationslösningar för intelligenta, hållbara och säkra operationer.
• Riktar sig mot industrier som petrokemi och livsvetenskaper.

Building Automation

• Levererar lösningar för att säkerställa säkra och hållbara anläggningar.

Energy and Sustainability Solutions

• Erbjuder licensieringsmöjligheter integrerade med materialvetenskap och kemi.

Honeywell International (HON )

Honeywell har ett börsvärde på 154,5 miljarder dollar och dess aktier handlas för närvarande på nya toppnivåer på 241 $, upp 6,4 % år‑till‑datum. Den har ett EPS (TTM) på 8,70 och ett P/E (TTM) på 27,62, medan den erbjudna utdelningsavkastningen är 1,88 %.