Atoomklokken vergroten de precisie door de limiet van het energieverbruik te doorbreken
Nanotechnologie
Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 16-06-2025
Artistieke impressie van de Ringklok, opgebouwd uit een ring van atomen, die ultraprecieze tijdmeting mogelijk maakt. Een enkel kwantumdeeltje cirkelt coherent rond de ring – elke omwenteling is een tik – waardoor de klok de thermodynamische beperkingen van klassieke klokken overwint. [Afbeelding: Alexander Rommel/TU Wien]
Nauwkeurigere kwantumklokken
Een team van natuurkundigen en ingenieurs uit Oostenrijk, Malta en Zweden heeft ontdekt dat atoomklokken , die nu al veruit de nauwkeurigste apparaten zijn, een sprong voorwaarts kunnen maken in nauwkeurigheid zonder dat daar heel veel energie voor nodig is.
Florian Meier en zijn collega's hebben aangetoond dat het mogelijk is om de tot nu toe aangenomen nauwkeurigheidslimieten ruimschoots te overtreffen, door de temporele precisie exponentieel te verhogen. Dit effent niet alleen de weg voor de volgende generatie zeer nauwkeurige metingen en monitoring van ultrasnelle gebeurtenissen, maar werpt ook licht op een van de grootste mysteries in de natuurkunde: de verbinding tussen kwantumfysica en thermodynamica .
Atoomklokken werken volgens de fundamentele wetten van de kwantumfysica, maar deze wetten kennen altijd een zekere mate van onzekerheid. Daardoor is het noodzakelijk om te leven met enige willekeur en een zekere mate van statistische ruis, wat in het geval van klokken leidt tot fundamentele grenzen aan de nauwkeurigheid die kan worden bereikt bij een gegeven energieverbruik.
Tot nu toe leek het een vaste wet dat het bouwen van een klok die twee keer zo nauwkeurig is als de vorige, minstens twee keer zoveel energie zou vergen.
Het team heeft nu aangetoond dat deze regel omzeild kan worden om de nauwkeurigheid van een atoomklok exponentieel te vergroten. Dit kan door simpelweg een atoomklok te bouwen met twee verschillende tijdschalen, vergelijkbaar met wat er gebeurt bij een gewone klok, die een secondewijzer en een minutenwijzer heeft.
De klok bestaat uit een ring van n kwantumsystemen (de "cups") die een enkele excitatie bevatten die rond de ring beweegt. Na voltooiing van een cyclus tikt de klok door van de laatste naar de eerste locatie te springen. [Afbeelding: Florian Meier et al. - 10.1038/s41567-025-02929-2]
Waarom verhoogt het meten van tijd de entropie?
Om het verband tussen de nauwkeurigheid van tijdmeting en energieverbruik te begrijpen, is het noodzakelijk om te onthouden dat het meten van tijd de entropie van het heelal vergroot .
Elke klok bestaat uit twee onderdelen: een tijdbasisgenerator, die een slinger of de trillingen van een atoom kan zijn, en een teller, een mechanisme dat telt hoe vaak die basiseenheid van tijd is verstreken.
De tijdbasisgenerator kan altijd terugkeren naar exact dezelfde toestand: na één volledige oscillatie bevindt de slinger van een slingeruurwerk zich precies waar hij zich daarvoor bevond; na een bepaald aantal oscillaties keert het cesiumatoom in een atoomklok terug naar exact dezelfde toestand als daarvoor. De teller daarentegen moet veranderen, anders is de klok onbruikbaar.
"Dit betekent dat elke klok verbonden moet zijn met een onomkeerbaar proces", legt professor Florian Meier van de Technische Universiteit Wenen uit. "In de terminologie van de thermodynamica betekent dit dat elke klok de entropie, oftewel de spreiding van energie, in het heelal vergroot; anders is het geen klok."
De slinger van een klassieke klok genereert een beetje hitte en wanorde tussen de luchtmoleculen eromheen, en iedere laserstraal die de toestand van een atoomklok meet, genereert hitte, straling en dus entropie.
"We kunnen nu bekijken hoeveel entropie een hypothetische klok met zeer hoge precisie zou moeten genereren – en dus hoeveel energie zo'n klok nodig zou hebben", legt professor Marcus Huber uit. "Tot nu toe leek er een lineair verband te bestaan: als je duizend keer meer precisie wilt, moet je minstens duizend keer meer entropie genereren en duizend keer meer energie verbruiken."
Hoe de nauwkeurigheid te vergroten zonder de entropie te verhogen
Nu is alles echter veranderd. Hoewel het idee uit de vorige sectie nog steeds geldt, heeft het team ontdekt dat het mogelijk is om dit te omzeilen met een simpele truc: door twee verschillende tijdschalen te gebruiken, net zoals een analoge klok minuten- en secondewijzers heeft.
U kunt er zelfs een hele reeks secundaire tijdmeetinstrumenten aan toevoegen en vervolgens tellen hoeveel ervan er zijn gepasseerd. Dit is vergelijkbaar met hoe de minutenwijzer telt hoeveel omwentelingen de secondewijzer heeft gemaakt, of hoe de urenwijzer telt hoeveel omwentelingen de minutenwijzer heeft voltooid.
In een klassieke klok verhoogt deze schaalvergroting ook de entropie, die ontstaat wanneer de ene wijzer naar een nieuwe positie beweegt terwijl de andere een omwenteling heeft gemaakt. Met andere woorden, voor een hogere precisie is meer energie nodig. De kwantumfysica maakt echter ook een ander type deeltjestransport mogelijk: de deeltjes kunnen zich door de hele structuur verplaatsen, dat wil zeggen over de hele wijzerplaat, zonder ergens gemeten te worden. In zekere zin is het deeltje overal tegelijk tijdens dit proces; het heeft geen duidelijk gedefinieerde locatie totdat het uiteindelijk arriveert - en pas dan wordt het daadwerkelijk gemeten. Dat wil zeggen, alleen dit deel van het hele proces is onomkeerbaar, waardoor de entropie toeneemt.
"Op deze manier hebben we een snel proces dat geen entropie veroorzaakt - kwantumtransport - en een langzaam proces, namelijk de aankomst van het deeltje helemaal aan het einde", legt Yuri Minoguchi, een lid van het team, uit. "Het cruciale punt van onze methode is dat de ene kant zich puur volgens de kwantumfysica gedraagt, en alleen de andere, langzamere kant een entropiegenererend effect heeft."
Het resultaat is dat deze strategie een exponentiële toename van de nauwkeurigheid van de atoomklok mogelijk maakt met elke toename van de entropie. Dit betekent dat een veel grotere nauwkeurigheid kan worden bereikt dan voorheen werd gedacht op basis van eerdere theorieën.
"Dit is een belangrijk resultaat voor het onderzoek naar uiterst nauwkeurige kwantummetingen en het onderdrukken van ongewenste fluctuaties. Tegelijkertijd helpt het ons een van de grote onopgeloste mysteries van de natuurkunde beter te begrijpen: de verbinding tussen kwantumfysica en thermodynamica", concludeerde Huber.
Artikel: Precisie wordt niet beperkt door de tweede wet van de thermodynamica
Auteurs: Florian Meier, Yuri Minoguchi, Simon Sundelin, Tony JG Apollaro, Paul Erker, Simone Gasparinetti, Marcus HuberRevista: Nature PhysicsDOI: 10.1038/s41567-025-02929-2
Ander nieuws over:
inovacaotecnologica
