Kwantowe ograniczenie prędkości termalizacji. Fizycy udowadniają uniwersalne ograniczenie

W skali makroskopowej tempo, w jakim stygnie gorący napój lub rozmraża się szyba samochodu, zależy od czynników geometrycznych i materiałowych – powierzchni wymiany, właściwości termofizycznych ciała czy chociażby przepływu powietrza. Kiedy jednak proces wymiany energii sprowadzi się do poziomu subatomowego, w którym operują kubity komputerów kwantowych, klasyczna termodynamika ustępuje rygorystycznym regułom kwantowym.
Kryształ używany do przechowywania qubitów fotonicznych i oświetlany laserem w kriostacie – przyrządzie służącym do uzyskiwania temperatur kriogenicznych

Kryształ używany do przechowywania qubitów fotonicznych i oświetlany laserem w kriostacie – przyrządzie służącym do uzyskiwania temperatur kriogenicznych

W pracy opublikowanej na łamach prestiżowego czasopisma Nature Physics międzynarodowy zespół fizyków przedstawił formalny dowód matematyczny potwierdzający istnienie fundamentalnego, uniwersalnego ograniczenia prędkości, z jaką układ kwantowy może osiągnąć stan równowagi termicznej ze swoim otoczeniem.

Dotychczasowe eksperymenty na nadprzewodnikach i silnie skorelowanych układach kwantowych dostarczały jedynie empirycznych przesłanek o istnieniu tzw. limitu planckowskiego, brakowało jednak ścisłego aparatu teoretycznego opisującego to zjawisko w pełnej ogólności.

Zagadnienie to rozwiązał zespół prowadzony przez dr. Paolo Abiuso z Austriackiej Akademii Nauk. Badacze skonstruowali uniwersalny formalizm matematyczny, który traktuje proces termalizacji przez pryzmat kwantowej teorii informacji, badając graniczne tempo przekształcania dowolnych stanów kwantowych w stany równowagi termicznej i aplikując te reguły do teoretycznych modeli oddziałujących cząstek.

Analiza wykazała, że tempo relaksacji termicznej jest ograniczone w sposób bezwzględny – procesu tego nie da się przyspieszyć poprzez dostarczenie większej ilości energii ani przez agresywną manipulację stanami kwantowymi. Wyznaczona granica zależy wyłącznie od temperatury układu oraz dwóch fundamentalnych stałych fizycznych: zredukowanej stałej Plancka (ℏℏ) oraz stałej Boltzmanna (kBkB).

Autorzy dowodzą, że granica ta wynika bezpośrednio z niemożności przekroczenia ograniczenia Heisenberga przez procesy termalizacji. Oznacza to, że choć w wyższych temperaturach minimalny czas potrzebny do osiągnięcia równowagi termodynamicznej ulega skróceniu, nigdy nie może spaść poniżej wartości narzuconej przez fundamentalną mechanikę kwantową, niezależnie od złożoności otoczenia.

Odmienna zależność pojawia się w reżimie skrajnie niskich temperatur. W warunkach głębokiego zbliżenia do zera bezwzględnego o limicie prędkości termalizacji przestaje decydować sama temperatura, a kluczową rolę przejmuje przerwa energetyczna pomiędzy dwoma najniższymi stanami kwantowymi układu.

Odkrycie to niesie fundamentalne implikacje inżynieryjne: wyznaczenie teoretycznego kresu szybkości wymiany ciepła i dyssypacji energii pozwoli precyzyjniej kontrolować dekoherencję qubitów, optymalizować cykle chłodzenia oraz projektować stabilniejsze i szybsze procesory kwantowe nowej generacji.

Napisane przez

Monika Wojciechowska

Redaktor
Najbliższe są mi tematy związane z technologią, gadżetami, nowoczesnym AGD i motoryzacją. Interesują mnie rozwiązania, które nie tylko dobrze wyglądają na papierze, ale przede wszystkim realnie wpływają na komfort, wygodę i sposób, w jaki korzystamy z technologii na co dzień. Ukończyłam studia dziennikarskie oraz szkolenia z zakresu sztucznej inteligencji. Prywatnie uwielbiam gry i muzykę.