Das Team aus Oxford entdeckt, dass der eigentliche Energieverbrauch von Quantenuhren lediglich in deren Ablesen besteht
Eine neue Studie zeigt, dass das Ablesen einer Quantenuhr eine Milliarde Mal mehr Energie verbrauchen kann als ihr Betrieb.
In der Physik bildet die Zeitmessung die Grundlage für alles, vom GPS bis hin zu Teilchenexperimenten, und Quantenuhren sollen die hochpräzise Zukunft dieser Entwicklung darstellen.
Jüngste Forschungen von Wissenschaftlern der Universität Oxford legen jedoch nahe, dass auf kleinster Ebene der hohe Energieverbrauch nicht durch den Betrieb der Uhr entsteht, sondern durch ihre Messung. Darüber hinaus, so argumentiert das Team, verändert dies unsere Sichtweise auf die Thermodynamik der Zeit selbst.
Versteckte Kosten einer Quantumuhr
Im Rahmen der Studie bauten die Forscher eine winzige Quantenuhr auf der Grundlage von einzelnen Elektronen, die zwischen zwei nanoskaligen Bereichen hin- und herspringen, eine Anordnung, die als Doppelquantenpunkt bekannt ist. Jeder Sprung wirkt wie ein „Tick“ und ermöglicht es ihnen, die Zeit anhand einzelner Quantenereignisse zu messen, anstatt Pendelschwingen oder Atomschwingungen zu nutzen.
Der wichtigste Punkt hierbei ist jedoch, dass sie nicht nur den Betrieb des Geräts beobachteten, sondern auch verfolgten, wie viel Entropie – als Wärme verlorene Energie – durch das Uhrwerk und die zum Ablesen verwendete Elektronik erzeugt wurde. Sie stellten ein enormes Ungleichgewicht fest: Die Messhardware, die empfindliche Quantensignale in klassische Daten umwandelt, verbrauchte bis zu eine Milliarde Mal mehr Energie als die Uhr selbst.
Die Hauptautorin der Studie, Professor Natalia Ares, fasste es so zusammen: „Es wurde erwartet, dass Quantenuhren, die im kleinsten Maßstab laufen, den Energieverbrauch der Zeitmessung senken würden, aber unser neues Experiment zeigt eine überraschende Wendung.“
„Stattdessen übersteigt in Quantenuhren die Quantentaktfrequenz die des Uhrwerks selbst bei weitem.”
Warum Zeitmessung so teuer ist
Das Team verwendete zwei verschiedene Detektionsverfahren – eines, das winzige elektrische Ströme erfasst, und eines, das Radiowellen nutzt –, um jeden Elektronensprung in ein nutzbares klassisches Signal umzuwandeln. In beiden Fällen überstiegen die zusätzlichen elektronischen Bauteile, die die Ticks verstärken und aufzeichnen, die geringen thermodynamischen Kosten des Quantenbauelements, das die Ticks erzeugt.
Mitautor der Studie, Vivek Wadhia, fügte hinzu: „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Entropie, die durch die Verstärkung und Messung der Ticks einer Uhr entsteht und in der Literatur oft ignoriert wurde, die wichtigste und grundlegendste thermodynamische Kosten der Zeitmessung auf Quantenebene ist.“
Er fügte hinzu, dass der nächste Schritt darin bestehe, herauszufinden, wie diese nanoskaligen Systeme wesentlich effizienter gestaltet werden können, damit sie Berechnungen durchführen und die Zeit messen können, ähnlich wie biologische oder natürlich vorkommende Systeme.
Der Pfeil der Zeit und die Quantentechnologie der Zukunft
Über die Technik hinaus wirft diese Arbeit tiefgreifendere Fragen darüber auf, warum die Zeit nur in eine Richtung zu fließen scheint. Irreversibilität – Prozesse, die nicht einfach zurückgedreht werden können – ist mit Entropie verbunden, und die Studie legt nahe, dass es der Akt der Beobachtung ist, der die Quantenzeitmessung wirklich unumkehrbar macht.
Florian Meier, Mitautor der Studie, formulierte es so: „Indem sie zeigen, dass es der Vorgang des Messens ist – und nicht nur das Ticken selbst –, der der Zeit ihre Vorwärtsrichtung verleiht, stellen diese neuen Erkenntnisse eine starke Verbindung zwischen der Physik der Energie und der Informationswissenschaft her.“
Quellenhinweis:
Entropic Costs of Extracting Classical Ticks from a Quantum Clock, published in Physical Review Letters, November 2025.