Είτε πρόκειται για την αναμονή να ξεπαγώσει το παρμπρίζ ενός αυτοκινήτου τον χειμώνα είτε για την ψύξη ενός ζεστού ροφήματος, ο χρόνος που απαιτείται ώστε ένα αντικείμενο να φτάσει σε μια σταθερή, ομοιόμορφη θερμοκρασία στο περιβάλλον του -γνωστή ως θερμική ισορροπία– εξαρτάται από πολλούς παράγοντες.
Η επιφάνεια, οι ιδιότητες του υλικού και η ροή του αέρα διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο. Ωστόσο, όταν η κλίμακα μικραίνει στο υποατομικό επίπεδο, όπου λειτουργούν τα qubits στους κβαντικούς υπολογιστές, ισχύει ένα εντελώς διαφορετικό σύνολο κανόνων.
Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics αποδεικνύει ότι η κβαντομηχανική θέτει ένα θεμελιώδες και καθολικό όριο ταχύτητας στον χρόνο που απαιτείται για να φτάσουν διαφορετικά κβαντικά συστήματα σε θερμική ισορροπία.
Το σημαντικότερο στοιχείο αυτής της ανακάλυψης είναι η παγκοσμιότητά της, καθώς όση ενέργεια κι αν διοχετευθεί ή όσο ισχυρά κι αν τροποποιηθεί ένα σύστημα, η διαδικασία δεν μπορεί να επιταχυνθεί πέραν αυτού του ορίου.
Η αναζήτηση μιας παγκόσμιας μαθηματικής απόδειξης
Για πολλά χρόνια, οι φυσικοί παρατηρούσαν ενδείξεις αυτού του λεγόμενου Πλανκιανού ορίου σε υπεραγωγούς και κβαντικά συστήματα, υποψιαζόμενοι την ύπαρξη ενός καθολικού φράγματος ταχύτητας. Εντούτοις, απουσίαζε μια γενική μαθηματική απόδειξη που να το επιβεβαιώνει.
Την απάντηση έδωσε ο Paolo Abiuso από την Αυστριακή Ακαδημία Επιστημών μαζί με τους συνεργάτες του. Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε ένα παγκόσμιο μαθηματικό πλαίσιο που αντιμετωπίζει τη θερμοποίηση ως μια διαδικασία ικανή να φέρει διαφορετικά κβαντικά συστήματα στις αντίστοιχες θερμικές τους καταστάσεις. Χρησιμοποιώντας τη θεωρία κβαντικών πληροφοριών, οι επιστήμονες υπολόγισαν την ταχύτητα διεξαγωγής αυτής της διαδικασίας υπό τους θεμελιώδεις νόμους της κβαντομηχανικής.
Ένα όριο ταχύτητας που δεν παραβιάζεται
Οι υπολογισμοί της ομάδας έδειξαν ότι το όριο ταχύτητας καθορίζεται από τη θερμοκρασία και δύο θεμελιώδεις φυσικές σταθερές, τη μειωμένη σταθερά του Planck και τη σταθερά του Boltzmann. Σύμφωνα με τους συγγραφείς της μελέτης, το φράγμα αυτό προκύπτει από τη διαπίστωση ότι η διαδικασία θερμοποίησης δεν μπορεί να παραβιάσει το όριο του Heisenberg, το οποίο θέτει τους περιορισμούς στην ακρίβεια μέτρησης των κβαντικών ιδιοτήτων.
Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ο ελάχιστος χρόνος που απαιτείται για να φτάσουν τα κβαντικά συστήματα σε θερμική ισορροπία μπορεί να είναι μικρότερος, αλλά συνεχίζει να υπόκειται στο ίδιο θεμελιώδες όριο. Αντίθετα, σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, το όριο καθορίζεται από την ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο χαμηλότερων ενεργειακών καταστάσεων του συστήματος. Η κατανόηση αυτών των παγκόσμιων ορίων προσφέρει πολύτιμα εργαλεία για τη μελλοντική ανάπτυξη και βελτιστοποίηση των κβαντικών τεχνολογιών και υπολογιστών.
