Доказано существование квантового предела скорости термализации
Независимо от того, ждём ли мы, пока лобовое стекло автомобиля оттает зимой, или пока остынет тёплый напиток, время, необходимое объекту для достижения стабильной, равномерной температуры в окружающей среде (тепловое равновесие), зависит от множества факторов. К ним относятся площадь поверхности, свойства материала объекта и поток воздуха. Но когда мы приближаемся к субатомному масштабу, например, к тому, где работают кубиты в квантовом компьютере, вступают в силу другие правила. Внешние условия по-прежнему имеют значение, но, согласно новой статье, опубликованной в журнале Nature Physics, квантовая механика устанавливает фундаментальный предел скорости, с которой процесс может привести различные квантовые системы в состояние теплового равновесия. Значимость этого открытия заключается в том, что эта граница универсальна. Независимо от того, сколько энергии приложено или насколько сильно система подвергается воздействию, процесс нельзя ускорить.
Рис.1. Представление процесса термализации для данной машины М. Источник: Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03397-y
В течение многих лет физики наблюдали признаки этого планковского предела в сверхпроводниках и квантовых системах, что заставляло подозревать существование универсального предела скорости. Однако общее математическое доказательство, устанавливающее такой предел, отсутствовало. Наконец, учёные создали универсальную математическую модель, которая рассматривает термизацию как процесс, способный переводить различные квантовые системы в соответствующие им тепловые состояния. Для расчета того, как быстро это может происходить в соответствии с законами квантовой механики, была использована теория квантовой информации. А для иллюстрации своих выводов физики применили свои уравнения к теоретической модели взаимодействующих квантовых частиц и математически исследовали ее поведение.
Рис.2. Границы для приблизительной термализации. Источник: Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03397-y
В работе было показано, что квантовая механика устанавливает скоростной предел для приведения различных квантовых систем в состояние теплового равновесия, и этот предел определяется температурой и двумя фундаментальными константами природы: приведенной постоянной Планка и постоянной Больцмана. Иными словами, эта граница следует из наблюдения, что установка термализации не может нарушить предел Гейзенберга.
Это означает, что при более высоких температурах минимальное время, необходимое квантовым системам для достижения теплового равновесия, может быть короче, но они все равно не могут преодолеть этот фундаментальный скоростной предел. Выводы учёных подтверждают, что этот скоростной предел зависит от температуры и квантовой механики, независимо от того, насколько сложной может быть окружающая среда. Однако при чрезвычайно низких температурах предел определяется разностью энергий между двумя самыми низкими энергетическими состояниями системы.
