Angewante Quantenphysik. Forschungsteams aus Österreich, Malta und Schweden fanden eine neue Methode, wie die Genauigkeit von Quantenuhren exponentiell erhöht werden kann. Dabei sind sie jetzt schon extrem genau.
Quantenuhren könnten künftig noch präziser arbeiten als bisher theoretisch für möglich gehalten. Ein internationales Forschungsteam der TU Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der Universität Chalmers (Schweden) und der Universität Malta hat gezeigt, dass sich die Messgenauigkeit exponentiell steigern lässt.
Zur Erklärung: Quantenuhren sind hochpräzise Zeitmessgeräte, die auf den Quanteneigenschaften von Atomen oder Teilchen basieren und dadurch eine deutlich genauere Zeitmessung ermöglichen als herkömmliche Uhren. Das Forscherteam hat nun gezeigt, dass die Präzision solcher Uhren noch weiter gesteigert werden kann. Bisher galt die Annahme, dass eine Verdopplung der Messgenauigkeit mindestens eine Verdopplung des Energieaufwands erfordert. Die Forschenden konnten jedoch nachweisen, dass sich mit einer speziellen Methode die Genauigkeit exponentiell erhöhen lässt.
Dabei werden zwei unterschiedliche Zeitskalen kombiniert, ähnlich wie Sekunden- und Minutenzeiger bei einer Analoguhr. Der schnelle Quantentransport erfolgt ohne Entropieerzeugung, während der eigentliche Zählprozess, der die Zeit misst, mit einem irreversiblen und entropieerzeugenden Vorgang verbunden ist.
Zwei Komponenten
Professor Marcus Huber vom Atominstitut der TU Wien erklärt laut einer Aussendung: „Prinzipiell braucht jede Uhr zwei Komponenten: Erstens einen Taktgeber – etwa ein Pendel in der Pendeluhr, oder eben auch eine Quanten-Schwingung. Und zweitens einen Zähler – irgendein Element, das zählt, wie viele Zeiteinheiten, die vom Taktgeber definiert werden, nun bereits vergangen sind.“
Durch die Trennung dieser beiden Prozesse könne die Energieeffizienz der Zeitmessung deutlich verbessert werden. Die Theorie lasse sich laut den Forschenden auch praktisch mit supraleitenden Schaltkreisen testen. Jede Uhr ist mit einem irreversiblen Prozess verbunden, der Entropie erzeugt, was in der Sprache der Thermodynamik bedeutet, dass jede Zeitmessung Unordnung im System erhöht.
Verständnis für Quantenphysik und Thermodynamik
Die neuen Erkenntnisse stellen bisherige Annahmen über die physikalischen Grenzen der Zeitmessung infrage. Die Forschenden erwarten, dass ihre Methode nicht nur für die Entwicklung noch präziserer Atomuhren relevant ist, sondern auch für das grundlegende Verständnis des Zusammenspiels von Quantenphysik und Thermodynamik. Damit könnten sich neue Perspektiven für die Quantenmetrologie und verwandte Forschungsbereiche eröffnen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Naturgesetze mehr Spielraum für technologische Innovationen im Bereich der Zeitmessung bieten, als bisher angenommen wurde.