量子クロックは予想以上に正確

June, 19, 2025, Wien--量子効果は、今日、非常に正確な測定によく使用される。しかし、精度の絶対的な限界はどこにあるか? TU Wienと共同研究者の結果は、予想よりも優れていることを示している。

量子粒子の奇妙な性質をどのように利用して、非常に正確な測定を行うことができるか?この問いは、量子計測学の研究分野の核心である。その一例が原子時計で、原子の量子特性を利用して、従来の時計よりもはるかに正確に時間を測定する。

しかし、量子物理学の基本法則には、常にある程度の不確定性が伴う。ある程度のランダム性または一定量の統計ノイズを受け入れる必要がある。これにより、達成できる精度に根本的な制限が生じる。これまでは、時計の精度が2倍になると、少なくとも2倍のエネルギーが必要になるという不変の法則のように思われていた。しかし、現在、ウィーン工科大学(TU Wien)、スウェーデンのチャルマース工科大学、マルタ大学の研究者チームは、特別なトリックを使用して精度を指数関数的に向上させることができることを実証した。重要な点は、時計に秒針と分針があるのと同じように、2つの異なる時間スケールを使用することである。

時計とは正確には何か?
「われわれは、理論的に可能な時計を原理的に分析した」と、ウィーン工科大学原子研究所のMarcus Huber教授は言う。「すべてのクロックには2つのコンポーネントが必要。まず、振り子時計の振り子や量子振動などのタイムベースジェネレータ。そして2つ目は、カウンター、つまりタイムベースジェネレータによって定義された時間単位がすでに何回経過したかをカウントする任意の要素。」

タイムベースジェネレータは、常にまったく同じ状態に戻ることができる。1回完全に振動すると、振り子時計の振り子はまさに以前の位置にある。原子時計のセシウム原子は、一定回数の振動を繰り返すと、以前と全く同じ状態に戻る。一方、カウンターは交換する必要がある – そうでなければ、時計は役にたたない。

「これは、すべての時計が不可逆的なプロセスに接続されなければならないことを意味する」と、ウィーン工科大学のfoilnar Meterは言う。「熱力学の言葉で言えば、これはすべての時計が宇宙のエントロピーを増加させることを意味する。そうでなければ、それは時計ではない。」
振り子時計の振り子は、周囲の空気分子の間にわずかな熱と無秩序を発生させ、原子時計の状態を読み取るすべてのレーザビームは、熱、放射、したがってエントロピーを生成する。

「われわれは今、非常に高い精度を持つ架空の時計がどれだけのエントロピーを生成する必要があるか、したがって、そのような時計にどれだけのエネルギーが必要かを考えることができる。これまでは、1000倍の精度を求めるなら、少なくとも1000倍のエントロピーを生成し、1000倍のエネルギーを消費しなければならないという直線的な関係があるように思われた」(Marcus Huber)。

量子時間と古典時間
しかし、TU Wienの研究チームは、ウィーンのオーストリア科学アカデミー(ÖAW)、スウェーデンのチャルマース工科大学、マルタ大学のチームとともに、この明白なルールを2つの異なる時間スケールで回避できることを示した。

「たとえば、砂粒がガラスの上部から下部に落下して時間を示すのと同じように、ある領域から別の領域に移動する粒子を使用して時間を測定できる」(Florian Meier)。
このような時間測定装置を直列に接続して、そのうちの何個がすでに通過したかを数えることができる – これは、一方の時計の針がもう一方の時計の針がすでに完了した周回数を数えるのと似ている。

「このようにして、精度を高めることができるが、より多くのエネルギーを投資しなければできない。なぜなら、一方の時計の針が完全な回転を完了し、もう一方の時計の針が新しい場所で測定されるたびに、つまり、この針が新しい場所に移動したことを周囲の環境が気付くたびに、エントロピーが増加すると言えるからだ。このカウントプロセスは元に戻せない」(Marcus Huber)。

しかし、量子物理学では、別の種類の粒子輸送も可能になる: 粒子は、どこにも測定されることなく、構造全体、つまり時計のダイヤル全体を移動することもできる。ある意味では、このプロセス中に粒子は一度にどこにでもいる。それは最終的に到着するまで明確に定義された位置を持っていない – すると、その時初めて、エントロピーを増加させる不可逆的なプロセスで、実際に測定される。

秒針や分針のように
「つまり、エントロピーを引き起こさない高速のプロセス、つまり量子輸送と、粒子が最後に到着する遅いプロセスがある」と、ウィーン工科大学のYuri Minoguchiは説明する。「われわれの方法の重要な点は、片方の手が純粋に量子物理学の観点から動作し、もう一方の遅い手だけが実際にエントロピーを生成する効果を持つということだ。」

チームは、この戦略により、エントロピーの増加ごとに精度が指数関数的に向上することを示すことができた。これは、以前の理論で可能と考えられていたよりもはるかに高い精度を達成できることを意味する。「さらに、この理論は、現在利用可能な最も先進的な量子技術の1つである超伝導回路を使用して、現実の世界でテストすることができる」と、研究の共著者、Chalmersの実験チームのリーダーSimone Gasparinettiは話している。「これは、高精度の量子測定と不要な揺らぎの抑制の研究にとって重要な結果であり、同時に、物理学の未解決の大きな謎の1つである量子物理学と熱力学の関係をよりよく理解するのに役立つ」とMarcus Huberはコメントしている。