オーストリア科学アカデミー、バルセロナ自治大学、ジュネーブ大学の物理学者らは、他の研究者が長らく疑問に思っていたこと、つまりコンポーネント間に温度差のあるシステムが熱平衡に達する速さに量子力学が速度制限を課していることを量子レベルで証明した。この速度制限は普遍的なものであり、システムに対して何をしても実際に変更することはできません。
熱平衡というと難しい概念のように聞こえるかもしれませんが、私たちの周囲では毎日何百ものシステムが熱平衡に到達しています。たとえ互いに近づけていなくても、熱いコーヒーは最終的に室温まで下がり、コーラも温かくなってほぼ同じ温度になります。
これがどのくらい早く起こるかは、部屋の温度や注いだ飲み物の量などの外部要因によって異なります。しかし、物理学者は、原子未満のレベルで、これらの変化がどのくらい早く起こるかを本質的に制御する何かがあるのではないかと長い間疑っていました。
スペイン、オーストリア、スイスのいくつかのトップ研究所の研究者チームは、システムが熱平衡に達するまでの時間を決定する量子レベルの速度制限が実際に存在することを示す数学的証明に到達した。
証拠に到着
私たちが冷えたコーヒーの中でこのことに気付かなかったとしても、物理学者は超伝導体や他の量子システムを扱う際に速度制限が発生する可能性があることに長い間気づいていました。それが本当に存在することを証明するには、科学者は数学的証明を必要とします。これはまさにヨーロッパの研究者がやろうとしていることです。
研究者らは、普遍的な数学的枠組みを使用して、熱化を、さまざまな量子系を対応する熱状態に持ち込むことができるプロセスとして扱いました。彼らは、量子情報理論を使用して、量子力学の原理に基づいてこれをどれだけ早く達成できるかを決定しました。
次に、彼らは方程式を量子粒子の理論モデルに適用し、量子粒子の挙動を数学的に分析しようと試みました。分析の結果、量子力学によって、さまざまな量子系が熱平衡に達するまでの速度に実際に速度制限が設けられることがわかりました。
普遍的な制限
研究者らは、この限界は系の温度だけでなく、換算プランク定数とボルツマン定数という 2 つの定数によっても決まることを発見しました。ボルツマン定数は、気体中の粒子の平均運動エネルギーを系の熱力学的温度に関連付けます。
これは、システムのコンポーネントが高温になっていて、すぐに平衡に達するように見えても、量子力学によって課せられる速度制限を超えることはできないことを意味します。これは、制限速度が動作環境の複雑さではなく、温度と量子力学に依存することを裏付けています。
しかし興味深いことに、システムコンポーネントの温度差が非常に小さい場合、熱平衡速度は温度差が高い場合と同じではありません。代わりに、これはシステム内の 2 つの最低エネルギー状態によって決まります。
この発見は、コンピューティングやセンシングなどの量子技術における新たな研究の道を切り開きます。
研究結果は雑誌に掲載されました 自然物理学。
