Thermodynamische Grenzen durchbrechen: Die Zukunft der Zeitmessung

Das zeigt eine neue Studie die Genauigkeit von Quanteneffekten¹ ist besser als erwartet. Diese Studie kommt zustande, während Forscher der TU Wien und ihre Kollegen die Quantenmetrologie für die Atomuhr nutzen.

Eine Atomuhr nutzt die Quanteneigenschaften von Atomen, um die Zeit deutlich genauer zu messen als herkömmliche Uhren. Diese präzisesten Zeitmesser der Welt sind für ihre beispiellose Genauigkeit bekannt, indem sie Laser verwenden, um die Schwingungen von Atomen zu messen, die mit einer konstanten Frequenz schwingen.

Da es bei den fundamentalen Gesetzen der Quantenphysik jedoch immer eine gewisse Unsicherheit gibt, ist ein gewisses Maß an statistischem Rauschen zu erwarten und muss akzeptiert werden. Dieses Rauschen bzw. die Zufälligkeit begrenzt die erreichte Genauigkeit. 

Atomuhren könnten also noch präziser sein, und wenn sie Atomschwingungen präziser messen könnten, wären sie empfindlich genug, um Phänomene wie dunkle Materie zu erkennen und Fragen zu beantworten, etwa welche Auswirkungen die Schwerkraft auf den Lauf der Zeit haben könnte.

Interessanterweise geht man davon aus, dass eine Atomuhr mehr Energie benötigt, um diese Präzision zu erreichen und damit genauer zu sein. 

Bereits im Jahr 2021, ein Experiment² Die Genauigkeit von Uhren ist begrenzt, da die Natur einen grundlegenden Energieaufwand für die Zeitmessung vorschreibt. Laut der Studie verbrauchen Uhren mit genauerer Zeitmessung mehr Energie als ihre weniger genauen Gegenstücke. 

Ein Grundprinzip der Thermodynamik besteht darin, dass Energie immer von heißen zu kalten Objekten fließt. Eine Umkehrung dieses Flusses (wie beispielsweise bei einem Kühlschrank) bedeutet, dass wir an anderer Stelle dafür bezahlen müssen.

Dass eine Uhr mindestens doppelt so viel Energie benötigt, um doppelt so genau zu gehen, scheint also ein unabänderliches Gesetz zu sein – zumindest bis jetzt.

Ein Team von Wissenschaftlern der TU Wien, der Universität Malta und der Technischen Universität Chalmers hat gezeigt, dass wir durch den Einsatz spezieller Tricks die Genauigkeit exponentiell steigern können. 

Der entscheidende Punkt ist hier die Verwendung von zwei unterschiedlichen Zeitskalen, ähnlich wie eine normale Uhr einen Minutenzeiger und einen Sekundenzeiger hat.

Wie die Quantenphysik die Entropiekosten der Zeit neu definiert

Physikalische Geräte, die außerhalb des Gleichgewichts arbeiten, werden durch thermische Schwankungen (zufällige Abweichungen eines Systems von seinem Durchschnittszustand) beeinflusst, die die Genauigkeit ihres Betriebs einschränken. Dieses Problem ist im winzigen und Quantenmaßstab stärker ausgeprägt, wo Entropiedissipation zur Abschwächung erforderlich ist.

Bei Uhren ist zur Zeitmessung ein thermodynamischer Fluss in Richtung Gleichgewicht erforderlich, der zu einer minimalen Entropiedissipation pro Tick führt. 

Obwohl sowohl klassische als auch Quantenmodelle Obwohl die meisten Studien einen linearen Zusammenhang zwischen Präzision und Dissipation aufzeigen, ist die Beziehung noch nicht ganz so eindeutig. 

Bei der Suche nach den genauesten Atomuhren, die in Zukunft möglicherweise auf Kernenergie umgestellt werden könnten, sind diese Kosten nicht das dringlichste Problem. Bei kleinen, in sich geschlossenen Quantenkontrollsystemen ist jedoch die genaue Beziehung zwischen Verlustleistung und Präzision möglicherweise ein praktisches Problem. 

Vor diesem Hintergrund haben die Forscher nun ein autonomes Quantenuhrmodell vorgestellt, das eine Genauigkeit erreicht hat, die exponentiell mit der Entropiedissipation skaliert. 

Ermöglicht wird dieser Erfolg durch kohärenten Transport in einer Spinkette mit maßgeschneiderten Kopplungen, bei der die Entropiedissipation auf ein einzelnes Glied beschränkt ist, so die Studie. Die Ergebnisse zeigen, dass kohärente Quantendynamik die Präzisionsgrenzen der traditionellen Thermodynamik überschreiten kann und möglicherweise die Entwicklung zukünftiger Quantengeräte mit geringer Dissipation und hoher Präzision unterstützt.

„Wir haben grundsätzlich analysiert, welche Uhren theoretisch möglich wären.“

– Professor Marcus Huber vom Atominstitut der TU Wien

Er erklärte, dass eine Uhr aus zwei Komponenten besteht. Die erste ist ein zeitbasierter Generator, wie zum Beispiel eine Quantenschwingung oder ein Pendel. Die zweite ist ein Zähler, ein Element, das die vom Zeitbasisgenerator definierten Zeiteinheiten zählt, die vergangen sind.

Der Zeitbasisgenerator kehrt immer wieder in den exakt gleichen Zustand zurück bzw. das Pendel befindet sich genau dort, wo es sich vor Abschluss einer Schwingung befand. 

In einer Atomuhr hingegen kehrt das Cäsiumatom nach einer bestimmten Anzahl von Schwingungen in denselben Zustand zurück, in dem es sich zuvor befand. Damit eine Uhr jedoch nützlich ist, muss sich der Zähler ändern.

Das bedeutet, dass jede Uhr mit einem irreversiblen Prozess verbunden sein muss. In der Sprache der Thermodynamik bedeutet dies, dass jede Uhr die Entropie im Universum erhöht; andernfalls ist sie keine Uhr. 

– Florian Meier von der TU Wien

Bei einer Pendeluhr erzeugt das Pendel Wärme und Unordnung in den umgebenden Luftmolekülen. Bei einer Atomuhr erzeugt jeder Laserstrahl, der den Zustand der Uhr misst, sowohl Wärme als auch Strahlung und damit Entropie. Marcus Huber erklärt:

„Wir können nun überlegen, wie viel Entropie eine hypothetische Uhr mit extrem hoher Präzision erzeugen müsste – und dementsprechend auch, wie viel Energie eine solche Uhr benötigen würde. Bisher schien es einen linearen Zusammenhang zu geben: Wer eine tausendfache Präzision erreichen will, muss mindestens tausendmal so viel Entropie erzeugen und tausendmal so viel Energie aufwenden.“

Doch das Team der TU Wien hat nun in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Malta, der Technischen Universität Chalmers und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gezeigt, dass diese sogenannte Regel durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Zeitskalen umgangen werden kann.

Wie Meier beispielsweise erklärte, können Partikel, die sich von einem Bereich zu einem anderen bewegen, zur Zeitmessung verwendet werden, ähnlich wie Sandkörner, die von der Oberseite des Glases auf die Unterseite fallen.

Man kann mehrere solcher Zeitmessgeräte hintereinanderschalten und dann zählen, wie viele davon bereits durchlaufen sind. Das wäre vergleichbar damit, wie der größere Uhrzeiger die Runden zählt, die der kleinere Uhrzeiger bereits zurückgelegt hat.

„Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit erhöhen, allerdings nicht ohne zusätzlichen Energieaufwand“, erklärt Marcus Huber. „Denn jedes Mal, wenn ein Uhrzeiger eine volle Umdrehung vollführt und der andere an einer neuen Position gemessen wird – man könnte auch sagen, jedes Mal, wenn die Umgebung bemerkt, dass sich dieser Zeiger an eine neue Position bewegt –, erhöht sich die Entropie. Dieser Zählvorgang ist irreversibel.“

Eine weitere Art des Teilchentransports, die die Quantenphysik ermöglicht, ist die Bewegung durch die gesamte Struktur. Dabei bewegen sich Teilchen über das Zifferblatt einer Uhr, ohne gemessen zu werden.

Während dieses Prozesses ist das Teilchen gewissermaßen überall, ohne klar definierten Ort, bis es schließlich ankommt. Erst dann wird das Teilchen gemessen – ein Prozess, der irreversibel ist und die Entropie erhöht.

Das Team hat also zwei Prozesse: einen schnellen, der weder zu Entropie noch zu Quantentransport führt, und einen anderen, bei dem die Teilchen ganz am Ende ankommen.

„Das Entscheidende an unserer Methode ist, dass sich die eine Hand rein quantenphysikalisch verhält und nur die andere, langsamere Hand tatsächlich entropieerzeugend wirkt.“

– Yuri Minoguchi von der TU Wien

Das Team hat gezeigt, dass die Strategie mit jeder Erhöhung der Entropie eine deutliche Steigerung der Präzision ermöglicht, sodass eine höhere Präzision erreicht werden kann, als bisher für möglich gehalten wurde.

„Darüber hinaus könnte die Theorie in der realen Welt mithilfe supraleitender Schaltkreise getestet werden, einer der fortschrittlichsten Quantentechnologien, die derzeit verfügbar sind.“

– Co-Autorin der Studie, Simone Gasparinetti, Leiterin des Experimentalteams bei Chalmers 

Huber bezeichnete dies als entscheidendes Ergebnis für die Forschung zu hochpräzisen Quantenmessungen und zur Unterdrückung unerwünschter Fluktuationen. Darüber hinaus, so Huber, „hilft uns die Forschung, eines der großen Rätsel der Physik besser zu verstehen: den Zusammenhang zwischen Quantenphysik und Thermodynamik.“

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Thorium ultrapräzise Kernuhren antreibt.

Die zukünftigen Auswirkungen der Quantenzeitmessung auf die Menschheit

Eine der wertvollsten Ressourcen für uns Menschen ist die Zeit, die begrenzt und unumkehrbar ist. Zeit ist grundlegend für unsere Existenz und unseren Fortschritt.

Um unsere Zeit im Auge zu behalten, entwickelten die Menschen Kalender. Und als die Gesellschaften komplexer und technologischer wurden, wurde eine genaue Zeitmessung immer wichtiger. 

Für die Zeitmessung ist etwas erforderlich, das mit einem gleichmäßigen Takt schwingt, und etwas, das diese Schläge zählt und gleichzeitig die Zeit anzeigt. 

Dies führte zur Entwicklung von Uhren, die im Laufe der Zeit durch Pendel und Quarzoszillatoren immer ausgefeilter wurden. 

Von Armbanduhren bis hin zu Satellitenuhren – die meisten modernen Uhren verwenden noch immer einen Quarzoszillator. Wird Spannung an den Oszillator angelegt, vibriert er mit einer präzisen Frequenz. Er wirkt wie das Pendel einer Pendeluhr und zählt die verstrichene Zeit ab.

Das Problem war jedoch, dass keine zwei Uhren gleich waren. Und da die Welt immer vernetzter wurde, entstand der Bedarf nach einer konsistenten und genauen Methode zur Zeitmessung. Eine Atomuhr war eine naheliegende Lösung.

Der Traum von der Atomuhr begann eigentlich vor mehr als einem Jahrhundert, als die Wissenschaftler James Maxwell und William Thompson die Idee vorschlugen. 

Atome sind die Grundbausteine ​​aller Materie. Ihr Kern besteht aus Protonen und Neutronen, umgeben von Elektronen, deren Anzahl variieren kann. Die Elektronen sind in unterschiedlichen Energieniveaus angeordnet und bewegen sich auf Kreisbahnen um den Atomkern. 

Da Atome Lichtwellen bestimmter Frequenzen absorbieren und emittieren, schlussfolgerten Wissenschaftler, dass Atome eines bestimmten Elements untereinander identisch sind und sich nie ändern. Daher sollten sich auch die Frequenzen des von ihnen absorbierten und emittierten Lichts nicht ändern. 

Während die Idee bereits im späten 19. Jahrhundert aufkam, dauerte es bis zur tatsächlichen Entwicklung einer Atomuhr viel später. 

Kriege wirken oft als Katalysatoren für wissenschaftliche und technologische Fortschritte. Sie führten zu Erfindungen wie der Mikrowelle, dem GPS, Computern und vielem mehr, die heute tiefgreifende Auswirkungen auf unser tägliches Leben haben. 

Auch die Atomuhr entstand zu dieser Zeit. 1939 schlug der Physiker Isidor Rabi den Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology (NIST) (damals National Bureau of Standards, NBS) vor, die neu entwickelte Molekularstrahl-Magnetresonanztechnik zu nutzen, die präzise Messungen nuklearer magnetischer Momente als Zeitstandard ermöglichte. 

Anschließend maß er die Frequenz, mit der Cäsiumatome auf natürliche Weise Mikrowellen absorbieren und emittieren. Diese lag bei etwa 9.1914 Milliarden Zyklen pro Sekunde und sprach Jahre später darüber. Die New York Times beschrieb dies als ein „kosmisches Pendel“, das „Radiofrequenzen im Herzen der Atome“ anzapft.

1949 wurde eine auf Ammoniak basierende Uhr vorgeführt, die sich jedoch letztlich als nicht genauer als die bereits vorhandenen Uhren erwies.

Im Laufe der Zeit führten neue technologische Innovationen wie das optische Pumpen, das wesentlich stärkere Magnetresonanz- und Mikrowellenabsorptionssignale erzeugte, und die Ramsey-Interferometrie, die für die Molekularstrahlspektroskopie eingesetzt wurde, zu Fortschritten auf diesem Gebiet und veranlassten andere wissenschaftliche Gruppen, dasselbe zu untersuchen.

Im Jahr 1975 war die Atomuhr des NIST so genau, dass sie in 400,000 Jahren weder eine Sekunde vor- noch nachging. Im Jahr 1993 wurde ihre Atomuhr sogar noch genauer und ging in 6 Millionen Jahren weder eine Sekunde vor- noch nach. 

Im Jahr 2019 entwickelte die NASA die Deep Space Atomic Clock, um die Navigation von Raumfahrzeugen zu weit entfernten Orten wie anderen Planeten autonomer zu gestalten. Diese Uhr wird nach vier Tagen um weniger als eine Nanosekunde und nach einem Jahrzehnt um weniger als eine Mikrosekunde abweichen, was einer Abweichung von nur einer Sekunde alle 10 Millionen Jahre entspricht.

Die Atomuhr der NASA war etwa 50-mal stabiler als ihre Gegenstücke auf GPS-Satelliten, und dies wurde mit Hilfe von Quecksilberatomen erreicht. 

Der „präzise und stabile Wert“ der Energiedifferenz zwischen den Umlaufbahnen „ist das eigentliche Schlüsselelement für Atomuhren“, sagte Eric Burt, damals Atomuhrenphysiker am Jet Propulsion Laboratory (JPL). „Das ist der Grund, warum Atomuhren ein Leistungsniveau erreichen können, das über das mechanischer Uhren hinausgeht.“

Die präzise Zeitmessung von Atomuhren ist im Alltag zwar nicht erforderlich, hat aber tiefgreifende Auswirkungen auf viele andere Branchen. Atomuhren haben zu Fortschritten in der Messtechnik, der Kommunikation, modernen Navigationssystemen und der satellitengestützten Ortung geführt.

Die Erkenntnisse der neuesten Forschung sollen nun viele weitere Fortschritte anstoßen. Es wird erwartet, dass sie branchenübergreifend, darunter in der künstlichen Intelligenz (KI), der Robotik und anderen aufstrebenden Bereichen, äußerst nützlich sein werden.

Quantenuhren können beispielsweise die Erkennung subtiler Signale des Erdsystems verbessern, indem sie fortschrittliche Gravitationswellendetektoren und Klimaüberwachungssatelliten mit Energie versorgen. Darüber hinaus liefern sie präzisere Zeitreferenzen, die neue Messmethoden für den Anstieg des Meeresspiegels, tektonische Verschiebungen und die Kartierung des Untergrunds ermöglichen.

In der Welt der KI können Modelle, die Daten mit verteilten Sensoren für intelligente Fabriken, Präzisionslandwirtschaft oder Finanzhandel kombinieren, von präzisen Atomuhren profitieren. Auch bei quantenverstärkter KI-Hardware kann dies hilfreich sein, da die Quantenzeitmessung fehleranfällige Quantenprozessoren für maschinelles Lernen stabilisieren kann. Schließlich hängt eine zuverlässige Qubit-Steuerung von präzisem Timing und Phasenkohärenz ab.

Von autonomen Fahrzeugen über Drohnen bis hin zu Robotern – sie alle sind auf GPS-Navigation und lokale Uhren angewiesen. Hochpräzise Quantenuhren können daher eine Navigation ohne GPS ermöglichen. Sie können auch Roboterschwärmen helfen, sich bei komplexen Aufgaben wie verteilter Kartierung und Such- und Rettungseinsätzen besser zu koordinieren.

Auch die Kommunikation kann von diesen Uhren hinsichtlich Reichweite und Stabilität stark profitieren. Auch zukünftige drahtlose und photonische Netzwerke werden davon profitieren, da sie eine hochpräzise Zeitmessung für Edge Computing mit geringer Latenz und Geräteübergaben benötigen.

Investitionen in die fortschrittliche Messindustrie

Honeywell international (HON ) ist ein führender Anbieter von fortschrittlichen Messsystemen, darunter hochpräzise Zeitmessgeräte, Atomuhrtechnologien für die Luft- und Raumfahrt sowie die Verteidigung und sogar Quantencomputing durch Quantinuum, entstanden durch die Fusion von Cambridge Quantum und Honeywell. 

Das Unternehmen ist hauptsächlich tätig durch:

Luft- und Raumfahrttechnologien

• Liefert Produkte, Software und Dienstleistungen für Flugzeuge.
• Bedient Gerätehersteller sowie den Lufttransport- und Luftfahrtsektor.

Industrial Automation

• Bietet Automatisierungslösungen für intelligente, nachhaltige und sichere Abläufe.
• Zielt auf Branchen wie Petrochemie und Biowissenschaften ab.

Gebäudeautomation

• Bietet Lösungen zur Gewährleistung sicherer und nachhaltiger Einrichtungen.

Energie- und Nachhaltigkeitslösungen

• Bietet Lizenzierungsfunktionen mit Integration in Materialwissenschaft und Chemie.

Honeywell international (HON )

Honeywell hat eine Marktkapitalisierung von 154.5 Milliarden US-Dollar. Die Aktie notiert aktuell auf einem neuen Höchststand von 241 US-Dollar, ein Plus von 6.4 % seit Jahresbeginn. Der Gewinn pro Aktie (EPS) liegt bei 8.70 und das KGV (KGV) bei 27.62. Die Dividendenrendite beträgt 1.88 %.

Für das erste Quartal 1 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 2025 Milliarden US-Dollar und einen Gewinn pro Aktie von 9.8 US-Dollar. In diesem Zeitraum verwendete Honeywell 2.22 Milliarden US-Dollar für Aktienrückkäufe, Dividenden und Investitionen.

Honeywell startete außergewöhnlich gut ins Jahr und übertraf dank solidem organischem Wachstum die Prognosen in allen Kennzahlen. Im dritten Quartal in Folge verzeichneten wir sowohl sequenzielles als auch jährliches Auftragswachstum, angetrieben von guten Auftragszahlen und der anhaltenden Kundennachfrage nach unseren differenzierten Angeboten.

– CEO Vimal Kapur

Fazit

Die quantenmechanische Zeitmessung zeigt, dass durch kontinuierliche Experimente selbst die grundlegendsten Grenzen der Physik neu überdacht werden können. Mit der neuesten Forschung und dem fortschreitenden Verständnis der Quantenthermodynamik wird auch unsere Fähigkeit zur hochpräzisen Zeitmessung zunehmen. 

Durch die Kombination intelligenter Architekturen und umfassender Kenntnisse der Entropie stellen Forscher alte Annahmen über Energie- und Entropiekosten in Frage und ebnen den Weg für eine neue Ära hochpräziser Systeme mit weitreichenden Auswirkungen auf Technologie, Infrastruktur, Wissenschaft und das Universum.

Zitierte Studien:

1. Meier, F.; Minoguchi, Y.; Sundelin, S.; Bernhardt, N.; Särkkä, J.; Bohrdt, A.; Gring, M.; Demler, E.; Schmiedmayer, J. Präzision ist nicht durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik begrenzt. Nat. Phys. 2025, Vorabveröffentlichung online. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02929-2
2. Pearson, AN; Guryanova, Y.; Erker, P.; Laird, EA; Briggs, GAD; Huber, M.; Ares, N. Messung der thermodynamischen Kosten der Zeitmessung. Phys. Rev. X 2021, 11 (2), 021029. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021029