Atomuhren vervielfachen die Präzision, indem sie die Grenze des Energieverbrauchs überschreiten

Nanotechnologie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 16.06.2025

Künstlerische Darstellung der Ringuhr, aufgebaut aus einem Ring von Atomen, der eine ultrapräzise Zeitmessung ermöglicht. Ein einzelnes Quantenteilchen umkreist den Ring kohärent – ​​jede Umdrehung entspricht einem Tick. Dadurch überwindet die Uhr die thermodynamischen Grenzen klassischer Uhren. [Bild: Alexander Rommel/TU Wien]

Genauere Quantenuhren

Ein Team aus Physikern und Ingenieuren aus Österreich, Malta und Schweden hat entdeckt, dass Atomuhren , die bereits jetzt die mit Abstand genauesten Geräte überhaupt sind, ihre Genauigkeit deutlich steigern können, ohne dass dafür enorme Mengen Energie aufgewendet werden müssen.

Florian Meier und seine Kollegen haben gezeigt, dass es möglich ist, die bisher angenommenen Genauigkeitsgrenzen deutlich zu überschreiten und die zeitliche Präzision exponentiell zu steigern. Dies ebnet nicht nur den Weg für die nächste Generation hochpräziser Messungen und Überwachung ultraschneller Ereignisse, sondern wirft auch Licht auf eines der größten Rätsel der Physik: den Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Thermodynamik .

Atomuhren basieren auf den fundamentalen Gesetzen der Quantenphysik, die jedoch immer mit einer gewissen Unsicherheit behaftet sind. Daher muss man mit einer gewissen Zufälligkeit, einem gewissen Maß an statistischem Rauschen, leben. Dies führt bei Uhren zu grundlegenden Grenzen der erreichbaren Präzision bei gegebenem Energieaufwand.

Bislang schien es ein unabänderliches Gesetz zu sein, dass der Bau einer doppelt so genauen Uhr mindestens doppelt so viel Energie erfordern würde.

Das Team hat nun gezeigt, dass diese Regel umgangen werden kann, um die Genauigkeit einer Atomuhr exponentiell zu erhöhen. Dies geschieht ganz einfach dadurch, dass man eine Atomuhr mit zwei unterschiedlichen Zeitskalen baut – ähnlich wie bei einer normalen Uhr, die einen Sekundenzeiger und einen Minutenzeiger hat.

• Quantentheorie und Thermodynamik können in Harmonie leben, auch wenn sie unterschiedlicher Meinung sind

Die Uhr besteht aus einem Ring von n Quantensystemen (den „Cups“), die jeweils eine Anregung enthalten, die den Ring umrundet. Nach Abschluss eines Zyklus tickt die Uhr, indem sie vom letzten zum ersten Ort springt. [Bild: Florian Meier et al. - 10.1038/s41567-025-02929-2]

Warum erhöht die Zeitmessung die Entropie?

Um die Beziehung zwischen der Präzision der Zeitmessung und dem Energieverbrauch zu verstehen, muss man sich vor Augen halten, dass die Zeitmessung die Entropie des Universums erhöht .

Jede Uhr besteht aus zwei Komponenten: einem Zeitbasisgenerator, der ein Pendel oder die Schwingungen eines Atoms sein kann, und einem Zähler, einem beliebigen Mechanismus, der zählt, wie oft diese Basiszeiteinheit vergangen ist.

Der Zeitbasisgenerator kann immer wieder in den exakt gleichen Zustand zurückkehren: Nach einer vollständigen Schwingung befindet sich das Pendel einer Pendeluhr genau dort, wo es vorher war; nach einer bestimmten Anzahl von Schwingungen kehrt das Cäsiumatom in einer Atomuhr in den exakt gleichen Zustand zurück, in dem es sich vorher befand. Der Zähler hingegen muss sich ändern, sonst ist die Uhr unbrauchbar.

„Das bedeutet, dass jede Uhr mit einem irreversiblen Prozess verbunden sein muss“, erklärt Professor Florian Meier von der Technischen Universität Wien. „In der Sprache der Thermodynamik bedeutet das, dass jede Uhr die Entropie, also die Energieverteilung, im Universum erhöht; andernfalls ist sie keine Uhr.“

Das Pendel einer klassischen Uhr erzeugt ein wenig Wärme und Unordnung in den umgebenden Luftmolekülen, und jeder Laserstrahl, der den Zustand einer Atomuhr misst, erzeugt Wärme, Strahlung und damit Entropie.

„Wir können nun überlegen, wie viel Entropie eine hypothetische Uhr mit sehr hoher Präzision erzeugen müsste – und damit auch, wie viel Energie eine solche Uhr benötigen würde“, erklärt Professor Marcus Huber. „Bislang schien es einen linearen Zusammenhang zu geben: Wer tausendmal mehr Präzision erreichen will, muss mindestens tausendmal mehr Entropie erzeugen und tausendmal mehr Energie verbrauchen.“

• Quantenthermodynamik: Entropie könnte in der Quantenwelt tatsächlich existieren

Die Stars der aktuellen Präzision, die ebenfalls von dieser Entdeckung profitieren werden, sind optische Quantenuhren . [Bild: Physikalisch-Technische Bundesanstalt]

So erhöhen Sie die Genauigkeit, ohne die Entropie zu erhöhen

Doch nun hat sich alles geändert. Die Idee aus dem vorherigen Abschnitt gilt zwar weiterhin, doch das Team hat herausgefunden, dass man sie mit einem einfachen Trick umgehen kann: Man verwendet zwei verschiedene Zeitskalen, so wie eine analoge Uhr einen Minuten- und einen Sekundenzeiger hat.

Tatsächlich ist es möglich, eine ganze Reihe sekundärer Zeitmessgeräte hinzuzufügen und dann zu zählen, wie viele davon vergangen sind – ähnlich wie ein Minutenzeiger zählt, wie viele Umdrehungen der Sekundenzeiger gemacht hat, oder wie der Stundenzeiger zählt, wie viele Umdrehungen der Minutenzeiger vollendet hat.

Bei einer klassischen Uhr erhöht diese Skalenvergrößerung auch die Entropie, die entsteht, wenn sich ein Zeiger an eine neue Position bewegt, während der andere eine Umdrehung vollführt hat. Anders ausgedrückt: Eine höhere Präzision erfordert einen höheren Energieaufwand. Die Quantenphysik ermöglicht jedoch auch eine andere Art des Teilchentransports: Die Teilchen können sich durch die gesamte Struktur, also über das gesamte Zifferblatt, bewegen, ohne irgendwo gemessen zu werden. Das Teilchen ist während dieses Prozesses gewissermaßen überall gleichzeitig; es hat keinen klar definierten Ort, bis es schließlich ankommt – und erst dann wird es tatsächlich gemessen. Das heißt, nur dieser Teil des gesamten Prozesses ist irreversibel und erhöht die Entropie.

„Auf diese Weise haben wir einen schnellen Prozess, der keine Entropie erzeugt – den Quantentransport – und einen langsamen, nämlich die Ankunft des Teilchens ganz am Ende“, erklärt Yuri Minoguchi, Mitglied des Teams. „Der entscheidende Punkt unserer Methode ist, dass sich die eine Seite rein quantenphysikalisch verhält und nur die andere, langsamere Seite einen Entropie erzeugenden Effekt hat.“

Das Ergebnis ist, dass diese Strategie eine exponentielle Steigerung der Genauigkeit der Atomuhr mit jeder Zunahme der Entropie ermöglicht. Das bedeutet, dass eine viel höhere Genauigkeit erreicht werden kann, als mit bisherigen Theorien bisher angenommen wurde.

„Dies ist ein wichtiges Ergebnis für die Forschung zu hochpräzisen Quantenmessungen und zur Unterdrückung unerwünschter Fluktuationen und hilft uns gleichzeitig, eines der großen ungelösten Rätsel der Physik besser zu verstehen: den Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Thermodynamik“, so Huber.

Weitere Neuigkeiten zu:

Weitere Themen