Klokken zijn essentiële bouwstenen van moderne technologie, van computers tot GPS-ontvangers. Het zijn in wezen ook motoren, onomkeerbaar bronnen verbruiken om nauwkeurige teken te genereren. Maar welke middelen moeten worden ingezet om de gewenste nauwkeurigheid te bereiken? In onze laatste studie, gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , we beantwoorden deze vraag door te meten, Voor de eerste keer, de entropie gegenereerd door een minimale klok.

Mensen beheersen de kunst van het tijdwaarnemen met een nauwkeurigheid van ongeveer één seconde in elke honderd miljoen jaar. Echter, de thermodynamische kosten van tijdwaarneming, d.w.z. de entropieproductie, is tot nu toe onontgonnen.

Ons experiment laat zien dat hoe warmer de klok, hoe nauwkeuriger de tijdwaarneming, een voorspelling die naar verwachting alleen geldt voor kwantumsystemen. Het begrijpen van de thermodynamische kosten die gepaard gaan met tijdwaarneming is een centrale stap op weg naar de ontwikkeling van toekomstige technologieën, en het begrijpen en testen van thermodynamica als systemen het kwantumrijk naderen.

In samenwerking met Prof Marcus Huber van het Atominstitut, TUWien, Dr. Paul Erker en Dr. Yelena Guryanova van het Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), en Dr. Edward Laird aan de Universiteit van Lancaster, mijn collega's, Dr. Anna Pearson en prof. Andrew Briggs, en ik ontwierp een klassieke klok, met afstembare precisie, entropieproductie te meten.

Onze klok bestaat uit een trillend membraan geïntegreerd in een elektronische schakeling:elke trilling van het membraan levert één tik op. De bronnen die de klok aandrijven zijn de warmte die aan het membraan wordt geleverd en het elektrische werk dat wordt gebruikt om het te meten. In bedrijf, de klok zet deze bronnen om in afvalwarmte, waardoor entropie ontstaat. Door deze entropie te meten, we kunnen dus de hoeveelheid verbruikte middelen afleiden.

Door de energie te verhogen, of "warmte, " in het ingangssignaal, we waren in staat om de amplitude van trillingen te vergroten en op zijn beurt de precisie van de membraanmetingen te verbeteren. Ons team ontdekte dat de entropiekosten - geschat door het meten van de warmte die verloren gaat in het sondecircuit - lineair stegen met de precisie, in overeenstemming met het gedrag van de kwantumklok.

Ons experiment onthult de thermodynamische kosten van tijdwaarneming. Er is een verband tussen de nauwkeurigheid van een klok en zijn entropieproductie; er bestaat niet zoiets als een gratis minuut - tenminste als je het wilt meten.

Voor de eerste keer, we hebben een verband aangetoond tussen de nauwkeurigheid van een klok en zijn entropieproductie, die, hoewel afgeleid voor open kwantumsystemen, geldt in ons nano-elektromechanische systeem.

Onze resultaten ondersteunen het idee dat entropie niet alleen een teken is van de pijl van de tijd, of een voorwaarde voor het meten van het verstrijken van de tijd, maar een fundamentele limiet op de prestaties van de klok.

De relatie tussen nauwkeurigheid en entropie kan worden gebruikt om ons begrip van de aard van tijd te vergroten, en gerelateerde beperkingen in de efficiëntie van motoren op nanoschaal.

Ons apparaat zou ons in staat kunnen stellen om de specifieke wisselwerking te onderzoeken die voorspeld is tussen kloknauwkeurigheid, die, zoals we hebben aangetoond, is gekoppeld aan beschikbare thermodynamische bronnen, en tiksnelheid. Deze wisselwerking houdt in dat, voor een bepaalde bron, een klok kan een lage nauwkeurigheid en een hoge tiksnelheid hebben of een hoge nauwkeurigheid, maar lage tikfrequenties.