Kvantklockor kan vara mer exakta än väntat

På atomernas storleksskala råder andra fysiklagar än i vår vardagliga storskaliga värld. Där lyder partiklar under kvantfysikens lagar, vilket innebär att de kan existera i flera tillstånd samtidigt och ha effekter på varandra som inte är möjliga inom klassisk fysik. Hur kan kvantpartiklarnas märkliga egenskaper användas för att kunna utföra extremt noggranna mätningar? Den här frågan utgör kärnan i forskningsfältet kvantmetrologi. Ett exempel är atomuret, som använder atomernas kvantegenskaper för att mäta tid med enormt mycket större exakthet än vad som är möjligt med vanliga klockor. 
Men det finns gränser för hur stor exakthet som går att uppnås. En vedertagen teori har fram till nu dikterat att en klocka som ska bli dubbelt så exakt kräver minst dubbelt så mycket energi. Men nu har ett team av forskare från TU Wien, Chalmers och University of Malta visat att man med hjälp av speciella knep kan öka exaktheten exponentiellt. Framgångskonceptet, beskrivet i en vetenskaplig artikel publicerad i Nature Physics, baseras på att använda två olika tidsskalor – ungefär som en klocka som har både en sekundvisare och en minutvisare.

Alla klockor skapar ett visst mått av oordning i universum

För att förstå hur forskarna lyckades kringgå det linjära sambandet mellan tidsprecision och energiförbrukning, behöver de mest fundamentala delarna av vad som utgör en klocka förklaras.

– Varje klocka behöver två komponenter: för det första en tidsgenerator, som en pendel i ett pendelur, eller till och med en kvantoscillation. Och för det andra en räknare, det vill säga vilket element som helst som räknar hur många tidsenheter som definieras av tidsgeneratorn som har passerat, förklarar Marcus Huber, professor på Atominstitutet vid TU Wien.

Pendeln, eller tidsgeneratorn, återgår alltid till exakt samma tillstånd. Efter en fullständig svängning är pendeln i ett pendelur exakt där den var innan. Efter ett visst antal svängningar återgår cesiumatomen i ett atomur till exakt samma tillstånd som den var i innan. Räknaren, å andra sidan, måste förändras – annars är klockan värdelös. 
– Detta innebär att varje klocka måste vara kopplad till en oåterkallelig process, säger Florian Meier från TU Wien. 
– På termodynamikens språk betyder detta att varje klocka ökar entropin, eller energispridningen, i universum; annars är det inte en klocka.

Varje laserstråle som avläser tillståndet hos ett atomur genererar värme, strålning och därmed entropi.

– Vi kan nu fundera över hur mycket entropi en hypotetisk klocka med extremt hög precision skulle behöva generera – och följaktligen hur mycket energi en sådan klocka skulle behöva, säger Marcus Huber.  
– Fram till nu verkade det finnas ett linjärt samband: om du vill ha tusen gånger så hög precision måste du generera minst tusen gånger så mycket entropi och förbruka tusen gånger så mycket energi.

Använde två olika tidsskalor - kvanttid och klassisk tid

Forskarna från TU Wien, Chalmers, österrikiska vetenskapsakademin (ÖAW) och University of Malta har nu kunnat visa att denna skenbara regel kan kringgås genom att använda två olika tidsskalor.

– Till exempel kan man använda partiklar som rör sig från ett område till ett annat för att mäta tid, ungefär som sandkorn indikerar tiden genom att falla från toppen av glaset till botten, säger Florian Meier. 
– Man kan koppla ihop flera sådana tidsmätare i en serie och räkna hur många av dem som redan har passerat – ungefär som en klockvisare räknar hur många varv den andra visaren redan har avverkat.

– För varje gång en klockvisare fullbordar ett helt varv och den andra visaren mäts på en ny plats – man kan också säga varje gång omgivningen runt omkring märker att den här visaren har flyttat sig till en ny plats – ökar entropin. Den här räkneprocessen är oåterkallelig, säger Marcus Huber. 

Kvantfysiken möjliggör dock även en annan typ av partikeltransport: partiklarna kan också färdas genom hela strukturen, det vill säga över hela klockskivan, utan att mätas någonstans. På sätt och vis är partikeln då överallt – samtidigt. Den har ingen tydligt definierad plats förrän den slutligen anländer – och först då mäts den faktiskt, i en oåterkallelig process som ökar entropin.

Högre precision än vad som borde vara möjligt

– Det betyder att vi har en snabb process som inte orsakar entropi – kvanttransport – och en långsam, nämligen partikelns ankomst i slutet, förklarar Yuri Minoguchi, TU Wien. 
– Det avgörande med vår metod är att den ena visaren beter sig enbart kvantfysiskt, och att bara den andra, långsammare visaren har en entropigenererande effekt.

Teamet har nu kunnat visa att denna strategi möjliggör en exponentiell ökning av noggrannhet per ökning av entropin. Det betyder att mycket högre precision kan uppnås än vad som skulle ha varit möjligt enligt tidigare teorier.

– Dessutom skulle teorin kunna testas i verkligheten med hjälp av supraledande kretsar, en av de mest avancerade kvantteknologierna som finns tillgänglig för närvarande, säger Simone Gasparinetti, medförfattare till studien och ledare för experimentgruppen på Chalmers.

– Detta är ett viktigt resultat för forskning om högprecisionskvantmätningar och undertryckande av oönskade fluktuationer, säger Marcus Huber. 
– Samtidigt hjälper det oss att bättre förstå ett av fysikens stora olösta mysterier: sambandet mellan kvantfysik och termodynamik.

Mer information om studien: 
F. Meier et al., Precision is not limited by the second law of thermodynamics, Nature Physics (2025)
https://www.nature.com/articles/s41567-025-02929-2