Hur mycket energi kostar tidtagning?

Bild 1 av 1
Foto på Chalmers ASPECTS grupp
​Simone Gasparinetti (i mitten) och hans gruppmedlemmar Simon Sundelin och Aamir Ali ska bygga den enklaste möjliga klockan och fastställa den faktiska energikostnaden för att mäta tiden. Foto: Ingela Roos.

Fem forskargrupper går nu samman i projektet ASPECTS för att kartlägga de grundläggande begränsningarna i tidtagning med syfte att avgöra om precisionsmätningar kan bli mer energieffektiva. Projektet är en del av EU:s kvantflaggskepp och har en budget på 30 miljoner kronor.

​Mätinstrument som utnyttjar kvantfysikens egenskaper kan mäta med extremt hög precision. Ett välkänt exempel är atomklockor som ger oss mycket exakt tid och möjliggör satellitnavigering. Sådana exakta mätningar kostar energi – ju mer exakta, desto högre energikostnad enligt nya upptäckter inom termodynamik. Men potentiellt skulle kvantfenomen kunna utnyttjas för att kringgå det, och göra mätningar både mycket exakta och energieffektiva.

Det här ska forskarna i ASPECTS-projektet undersöka.

– Vi kommer att utnyttja vår expertis inom supraledande kretsar för att bygga en uppsättning nya, unika kvantmaskiner. Genom att studera dessa maskiner i arbete, och noggrant mäta fluktuationer i deras produktion, kommer vi experimentellt att avslöja kompromissen mellan precision och effektivitet i små kvantsystem, säger biträdande professor Simone Gasparinetti vid MC2-institutionen på Chalmers.

Samma teknik som i kvantdatorn

Tekniken som används för att bygga kvantmaskinerna är densamma som användes i Chalmers projekt att bygga en stor kvantdator, det vill säga supraledande kretsar som arbetar vid mikrovågsfrekvenser vid mycket låga temperaturer.

– Vår gedigna erfarenhet av den här tekniken ger oss ett mycket bra läge att förverkliga ASPECTS-experimenten, säger Gasparinetti.

En av maskinerna som Gasparinetti och hans kollegor kommer att bygga är en elementär kvantklocka som tickar när den placeras mellan ett varmare och ett kallare bad.

"Det här är den enklaste möjliga klockan. Genom att bygga den kommer vi att kunna fastställa den faktiska energikostnaden för att mäta tiden.

Högre effektivitet och samma precision

Genom att experimentellt bestämma energikostnaden för tidtagning och avläsning siktar ASPECTS-teamet på att demonstrera så kallad kvanttermodynamisk precisionsfördel. Ett sådant banbrytande framsteg skulle kunna göra det möjligt för kvantsensorer och andra mätinstrument att arbeta med högre energieffektivitet än vad som annars skulle vara möjligt, utan att offra precision.

Inom tidtagning skulle särskilt rymdbaserade tillämpningar ha nytta av energieffektiva, miniatyrklockor, men även system i nanoskala där värmeavgivning är oönskad. För kvantmätningar i alllmänhet är förbättrad energieffektivitet långsiktigt viktigt för att säkerställa miljömässig hållbarhet vid uppskalning av kvantteknologier, till exempel kvantdatorer.

ASPECTS-projektet

ASPECTS är ett project inom European Quantum Technologies Flagship. Det är tre år långt och har en finansiering på 2,9 miljoner euro.

De viktigaste milstolparna i projektet är:
• Att undersöka de termodynamiska gränserna för kvantklockor genom att bygga autonoma kvantklockor och mäta den energikostnaden för tidtagning i kvantdomänen;
• Att mäta den termodynamiska kostnaden för avläsning av kvantbitar;
• Att göra den första proof-of-principle-demonstrationen av kvanttermodynamisk precisionsfördel.

Projektet koordineras av professor Mark Mitchinson vid Trinity College Dublin. Övriga deltagande universitet är Chalmers, Tekniska universitetet i Wien, Universitetet i Murcia och Universitetet i Oxford.

Simone Gasparinetti
  • Forskningsspecialist, Kvantteknologi, Mikroteknologi och nanovetenskap

Skribent

Ingela Roos