Gli orologi atomici moltiplicano la precisione rompendo il limite del consumo energetico

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Redazione del sito web di Innovazione Tecnologica - 16/06/2025

Rappresentazione artistica dell'Orologio ad Anello, costituito da un anello di atomi, che consente una misurazione del tempo ultraprecisa. Una singola particella quantistica percorre l'anello in modo coerente – ogni rivoluzione è un ticchettio – consentendo all'orologio di superare i limiti termodinamici degli orologi classici. [Immagine: Alexander Rommel/TU Wien]

Orologi quantistici più precisi

Un team di fisici e ingegneri provenienti da Austria, Malta e Svezia ha scoperto che gli orologi atomici , già di gran lunga i dispositivi più precisi in assoluto, possono fare un balzo in avanti nella precisione senza dover consumare un'enorme quantità di energia.

Florian Meier e i suoi colleghi hanno dimostrato che è possibile superare di gran lunga i limiti di accuratezza finora ipotizzati, aumentando esponenzialmente la precisione temporale. Questo non solo aprirà la strada alla prossima generazione di misurazioni e monitoraggio ad alta precisione di eventi ultraveloci, ma farà anche luce su uno dei più grandi misteri della fisica: la connessione tra fisica quantistica e termodinamica .

Gli orologi atomici operano in base alle leggi fondamentali della fisica quantistica, ma queste leggi comportano sempre un certo grado di incertezza. Di conseguenza, è necessario convivere con una certa casualità, un certo livello di rumore statistico, che si traduce, nel caso degli orologi, in limiti fondamentali alla precisione raggiungibile per un dato dispendio energetico.

Finora sembrava una legge immutabile che costruire un orologio due volte più preciso del precedente avrebbe richiesto almeno il doppio dell'energia.

Ciò che il team ha ora dimostrato è che questa regola può essere aggirata per aumentare esponenzialmente la precisione di un orologio atomico, semplicemente costruendo un orologio atomico utilizzando due scale temporali diverse, in modo simile a quanto accade in un normale orologio, che ha una lancetta dei secondi e una dei minuti.

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L'orologio è costituito da un anello di n sistemi quantistici (le "tazze") che ospitano una singola eccitazione che viaggia lungo l'anello. Al completamento di un ciclo, l'orologio ticchetta saltando dall'ultimo al primo sito. [Immagine: Florian Meier et al. - 10.1038/s41567-025-02929-2]

Perché misurare il tempo aumenta l'entropia?

Per comprendere la relazione tra precisione nella misurazione del tempo e consumo di energia, è necessario ricordare che la misurazione del tempo aumenta l'entropia dell'Universo .

Ogni orologio è costituito da due componenti: un generatore di base del tempo, che può essere un pendolo o le oscillazioni di un atomo, e un contatore, un meccanismo che conta quante volte è trascorsa quell'unità di base del tempo.

Il generatore di base dei tempi può sempre tornare esattamente allo stesso stato: dopo un'oscillazione completa, il pendolo di un orologio a pendolo si trova esattamente dove si trovava prima; dopo un certo numero di oscillazioni, l'atomo di cesio in un orologio atomico torna esattamente allo stesso stato in cui si trovava prima. Il contatore, d'altra parte, deve cambiare, altrimenti l'orologio è inutile.

"Ciò significa che ogni orologio deve essere collegato a un processo irreversibile", spiega il professor Florian Meier dell'Università Tecnica di Vienna. "Nel linguaggio della termodinamica, questo significa che ogni orologio aumenta l'entropia, ovvero la dispersione di energia, nell'Universo; altrimenti, non è un orologio."

Il pendolo di un orologio classico genera un po' di calore e disordine tra le molecole d'aria che lo circondano, e ogni raggio laser che legge lo stato di un orologio atomico genera calore, radiazioni e quindi entropia.

"Ora possiamo considerare quanta entropia dovrebbe generare un ipotetico orologio con altissima precisione, e quindi quanta energia un tale orologio necessiterebbe", spiega il professor Marcus Huber. "Finora, sembrava esserci una relazione lineare: se si desidera una precisione mille volte maggiore, è necessario generare almeno mille volte più entropia e consumare mille volte più energia."

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Le stelle dell'attuale precisione, che trarranno anch'esse beneficio da questa scoperta, sono gli orologi quantistici ottici . [Immagine: Physikalisch-Technische Bundesanstalt]

Come aumentare la precisione senza aumentare l'entropia

Ora, però, tutto è cambiato. Sebbene l'idea della sezione precedente sia ancora valida, il team ha scoperto che è possibile aggirarla con un semplice trucco: utilizzare due scale temporali diverse, proprio come un orologio analogico ha le lancette dei minuti e dei secondi.

Infatti, è possibile aggiungere un'intera serie di dispositivi secondari di misurazione del tempo e poi contare quanti ne sono trascorsi, in modo simile a come la lancetta dei minuti conta quanti giri ha fatto la lancetta dei secondi, o la lancetta delle ore conta quanti giri ha completato la lancetta dei minuti.

In un orologio classico, questo aumento di scala aumenta anche l'entropia, che si genera quando una lancetta si sposta in una nuova posizione mentre l'altra ha compiuto una rivoluzione. In altre parole, aumentare la precisione richiede un maggiore dispendio di energia. Tuttavia, la fisica quantistica consente anche un altro tipo di trasporto di particelle: le particelle possono viaggiare attraverso l'intera struttura, ovvero attraverso l'intero quadrante dell'orologio, senza essere misurate in alcun punto. In un certo senso, la particella è ovunque contemporaneamente durante questo processo; non ha una posizione chiaramente definita finché non arriva finalmente - e solo allora viene effettivamente misurata, ovvero solo questa parte dell'intero processo è irreversibile, aumentando l'entropia.

"In questo modo, abbiamo un processo veloce che non causa entropia – il trasporto quantistico – e uno lento, ovvero l'arrivo della particella proprio alla fine", spiega Yuri Minoguchi, membro del team. "Il punto cruciale del nostro metodo è che un lato si comporta puramente in termini di fisica quantistica, e solo l'altro lato, più lento, ha un effetto generatore di entropia."

Il risultato è che questa strategia consente un aumento esponenziale della precisione dell'orologio atomico con ogni aumento dell'entropia. Ciò significa che è possibile raggiungere una precisione molto maggiore di quanto si pensasse in precedenza con le teorie precedenti.

"Si tratta di un risultato importante per la ricerca sulle misurazioni quantistiche ad alta precisione e sulla soppressione delle fluttuazioni indesiderate e, allo stesso tempo, ci aiuta a comprendere meglio uno dei grandi misteri irrisolti della fisica: la connessione tra fisica quantistica e termodinamica", ha concluso Huber.

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