Fizicienii demonstrează o limită universală de viteză pentru termalizarea cuantică
La scară macroscopică, timpul necesar unui obiect pentru a ajunge la echilibru termic depinde de o serie de factori obișnuiți, precum suprafața sa, proprietățile materialului din care este fabricat sau circulația aerului. Însă la nivel subatomic, acolo unde operează qubiții dintr-un computer cuantic, intră în joc un set diferit de reguli. Conform unui studiu publicat în revista Nature Physics, mecanica cuantică impune o limită fundamentală de viteză pentru cât de repede poate fi adus un sistem cuantic la echilibru termic.
Ceea ce face descoperirea semnificativă este caracterul universal al acestei limite. Indiferent cât de multă energie este aplicată sau cât de puternic este manipulat un sistem, procesul nu poate fi accelerat dincolo de acest prag.
O limită suspectată de mult timp, dar nedemonstrată
De ani de zile, fizicienii au observat indicii ale unei astfel de limite, numită Planckiană, în superconductori și în alte sisteme cuantice, ceea ce i-a făcut să bănuiască existența unei limite universale de viteză. Totuși, o demonstrație matematică generală care să stabilească această limită lipsea.
Paolo Abiuso, de la Academia Austriacă de Științe, împreună cu colegii săi, au creat un cadru matematic universal care tratează termalizarea ca un proces capabil să aducă diferite sisteme cuantice în stările lor termice corespunzătoare. Cercetătorii au folosit teoria informației cuantice pentru a calcula cât de rapid poate avea loc acest proces în condițiile impuse de legile mecanicii cuantice. Pentru a-și ilustra concluziile, echipa a aplicat ecuațiile unui model teoretic de particule cuantice care interacționează și i-a analizat comportamentul din punct de vedere matematic.
O limită care nu poate fi încălcată
Rezultatul acestei analize arată că mecanica cuantică stabilește o limită de viteză pentru aducerea diferitelor sisteme cuantice la echilibru termic. Cercetătorii au descoperit că această limită este determinată de temperatură și de două constante fundamentale ale naturii: constanta Planck redusă și constanta lui Boltzmann.
„Cu alte cuvinte, această limită decurge din observația că mașinăria de termalizare nu poate încălca limita Heisenberg”, au scris autorii studiului, referindu-se la limita fundamentală privind precizia cu care pot fi măsurate proprietățile cuantice.
Aceasta înseamnă că, la temperaturi mai ridicate, timpul minim necesar sistemelor cuantice pentru a ajunge la echilibru termic poate fi mai scurt, însă acestea nu pot depăși limita fundamentală de viteză atunci când aceasta se aplică. Concluziile confirmă că limita depinde de temperatură și de mecanica cuantică, indiferent cât de complex este mediul înconjurător. La temperaturi extrem de scăzute, însă, limita este stabilită de diferența de energie dintre cele două stări de energie cele mai joase ale sistemului.
Implicații pentru tehnologiile cuantice
Dincolo de matematica elegantă, înțelegerea acestor limite universale de viteză ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte tehnologii cuantice, inclusiv computere cuantice mai performante.
