Klockor är viktiga byggstenar i modern teknik, från datorer till GPS-mottagare. De är också i huvudsak motorer, irreversibelt förbrukar resurser för att generera korrekta fästingar. Men vilka resurser måste läggas på för att uppnå en önskad noggrannhet? I vår senaste studie, publicerad i Fysisk granskning X , vi svarar på denna fråga genom att mäta, för första gången, entropin som genereras av en minimal klocka.

Människor har bemästrat konsten att ta tid med en noggrannhet på ungefär en sekund på var hundra miljoner år. Dock, den termodynamiska kostnaden för tidtagning, dvs dess entropiproduktion, har hittills varit outforskad.

Vårt experiment visar att ju varmare klockan är, ju mer exakt tidtagning, en förutsägelse som bara förväntas hålla för kvantsystem. Att förstå de termodynamiska kostnaderna för tidtagning är ett centralt steg på vägen i utvecklingen av framtida teknologier, och förstå och testa termodynamik när system närmar sig kvantvärlden.

I ett samarbete med Prof Marcus Huber vid Atominstitut, TUWien, Dr Paul Erker och Dr Yelena Guryanova vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI), och Dr Edward Laird vid University of Lancaster, mina kollegor, Dr Anna Pearson och professor Andrew Briggs, och jag designade en klassisk klocka, med justerbar precision, för att mäta entropiproduktion.

Vår klocka består av ett vibrerande membran integrerat i en elektronisk krets:varje svängning av membranet ger en tick. Resurserna som driver klockan är värmen som tillförs membranet och det elektriska arbetet som används för att mäta det. I drift, klockan omvandlar dessa resurser till spillvärme, genererar således entropi. Genom att mäta denna entropi, vi kan därför härleda mängden resurser som förbrukas.

Genom att höja energin, eller "värme, " i ingångssignalen, vi kunde öka vibrationernas amplitud och i sin tur förbättra precisionen i membranmätningarna. Vårt team fann att entropikostnaden – uppskattad genom att mäta värmen som går förlorad i sondkretsen – ökade linjärt med precisionen, överensstämmer med kvantklockans beteende.

Vårt experiment avslöjar de termodynamiska kostnaderna för tidtagning. Det finns ett samband mellan en klockas noggrannhet och dess entropiproduktion; det finns inget som heter en ledig minut – åtminstone om du vill mäta den.

För första gången, vi har visat ett samband mellan en klockas noggrannhet och dess entropiproduktion, som även om det härleds för öppna kvantsystem, gäller i vårt nanoelektromekaniska system.

Våra resultat stöder idén att entropi inte bara är en signatur för tidens pil, eller en förutsättning för att mäta tidens gång, men en grundläggande gräns för klockans prestanda.

Relationen mellan noggrannhet och entropi kan användas för att främja vår förståelse av tidens natur, och relaterade begränsningar i motoreffektivitet i nanoskala.

Vår enhet kan tillåta oss att undersöka den speciella avvägningen som förutspås mellan klocknoggrannhet, som som vi visade är kopplad till tillgängliga termodynamiska resurser, och tick rate. Denna avvägning innebär att, för en given resurs, en klocka kan ha låg noggrannhet och hög tickfrekvens eller hög noggrannhet men låg tickfrekvens.