Physiker haben eine lange vermutete Quanten-Grenze für die Thermalisierung nachgewiesen

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Wenn wir im Winter darauf warten, dass sich das Eis einer Autofenster auflöst, oder darauf, dass sich ein lauwarmes Getränk abkühlt, hängt die Dauer, die es dauert, bis ein Körper ein Gleichgewicht mit seiner Umgebung auf Erreichung einer stabilen und ausgewogenen Temperatur (thermisches Gleichgewicht) erreicht, von zahlreichen Faktoren ab. Dazu gehören die Fläche der Oberfläche, die Materialeigenschaften des Körpers und die Luftströmung.

Doch wenn wir der subatomaren Ebene, auf der Qubits in Quantencomputern funktionieren, näher kommen, tritt eine andere Regelmenge in Kraft. Äußere Bedingungen sind nach wie vor von Bedeutung, doch laut einem neuen, im Journal veröffentlichten Artikels setzt die Quantenmechanik eine fundamentale Geschwindigkeitsbegrenzung dafür, wie schnell verschiedene Quantensysteme das thermische Gleichgewicht erreichen können.

Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt in der Universalität dieser Grenze. Wie viel Energie auch immer aufgebracht mag werden, oder wie stark ein System auch immer gelenkt mag werden – der Prozess kann nicht gezwungen werden, schneller vonstattenzugehen.

Die Suche nach einer universellen Geschwindigkeitsgrenze

Seit Jahren beobachten Physiker in Supraleitern und Quantensystemen Anzeichen dieser Planckschen Grenze und haben dadurch die Vermutung geäußert, dass es eine universelle Geschwindigkeitsgrenze gibt. Allerdings fehlte bislang ein allgemeiner mathematischer Nachweis für ein derartiges Limit.

Hier tritt Paolo Abiuso von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften zusammen mit seinen Kollegen auf die Bühne.

Forscher haben einen universellen mathematischen Rahmen entwickelt, der die Thermalisierung als einen Prozess betrachtet, der verschiedene Quantensysteme in ihre jeweiligen thermischen Zustände überführt. Mit Hilfe der Quanteninformationstheorie berechneten sie, wie schnell dies unter den Gesetzen der Quantenmechanik geschehen kann.

Zur Veranschaulichung ihrer Ergebnisse wandte das Team seine Gleichungen auf ein theoretisches Modell von wechselwirkenden Quantenteilchen an und untersuchte dessen Verhalten in mathematischer Form.

Eine Geschwindigkeitsbegrenzung, die sich nicht brechen lässt

Was ist das Ergebnis all dieser numerischen Berechnungen und der theoretischen Aufstellung?

Das Team konnte nachweisen, dass die Quantenmechanik eine Geschwindigkeitsbegrenzung bei der Annäherung verschiedener Quantensysteme an das thermische Gleichgewicht festlegt. Dabei entdeckte sie, dass diese Begrenzung von der Temperatur sowie von den zwei fundamentalen Naturkonstanten, dem reduzierten Planck-Skonstanten und dem Boltzmann-Skonstanten, bestimmt wird.

“Dieses Limit ergibt sich aus der Beobachtung, dass die Maschine für die Thermalisierung die Heisenberg-Grenze – eine grundlegende Grenze für die Genauigkeit, mit der quantenmechanische Eigenschaften gemessen werden können – nicht verletzen kann”, schreiben die Autoren der Studie.

Dies bedeutet, dass die minimal benötigte Zeit für das Erreichen des thermischen Gleichgewichts von Quantensystemen bei höheren Temperaturen kürzer sein kann, dass Systeme jedoch niemals diese fundamentale Geschwindigkeitsgrenze überschreiten können, solange diese gültig ist. Die Ergebnisse bestätigen, dass diese Geschwindigkeitsgrenze davon abhängt, wie komplex die umgebende Umgebung ist, und temperatur- sowie quantenmechanisch bestimmt wird.

Dennoch wird die Grenze bei extrem niedrigen Temperaturen durch die Energiedifferenz zwischen den zwei niedrigsten Energiezuständen eines Systems bestimmt.

Dieser Artikel ist weit mehr als ein geschicktes mathematisches Werk. Das Verständnis dieser universellen Geschwindigkeitsgrenzen kann Forschern dabei helfen, unter anderem auch bessere Quantencomputer zu entwickeln.

Der Artikel wurde von Paul Arnold verfasst, von Lisa Lock redaktionell überarbeitet und von Robert Egan auf Richtigkeit geprüft und begutachtet; bei der Erstellung wurde große Sorgfalt in menschlicher Arbeit investiert. Science X stützt sich für die Aufrechterhaltung der unabhängigen Wissenschaftsjournalistik auf die Unterstützung seiner Leser. Wenn diese Nachricht Ihnen am Herzen liegt, können Sie erwägen, Spenden zu leisten, insbesondere eine monatliche Spende. Als Gegenleistung erhalten Sie ein werbefreies Konto.

Paolo Abiuso et al., Eine informationstheoretische Herleitung der Planckschen Grenze für die Thermalisierung, (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03397-y

Absolvent der Universität London mit einem BSc in Biologie. BBC-Dokumentarfilmproduzent mit internationaler Erfahrung. Arbeitet freiberuflich aus dem Süden Spaniens.

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BA Kunstgeschichte, MA Materialkultur. Redakteur bei , Paramediker und -Transplantationskoordinator. Seit 2021 für Science X tätig.

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Abschluss in mathematischer Biologie auf Bachelor-Niveau und in kreativem Schreiben auf Master-Niveau. Viel gereist; verfügt über einzigartige Perspektiven zu Wissenschaft- und Sprachthemen. Vollständiges Profil →

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