En théorie, la physique quantique plafonne la vitesse d'équilibre des systèmes

Une tasse de café chaud refroidit jusqu'à la température ambiante. Un verre de cola se réchauffe jusqu'à peu près la même température. Personne ne les chronomètre, pourtant le rythme de ces changements n'a rien d'aléatoire : il dépend de la pièce, et de la quantité de liquide que vous avez versée. Les physiciens soupçonnent depuis longtemps que quelque chose de plus fondamental régit ce rythme aux plus petites échelles, et une équipe de l'Académie autrichienne des sciences, de l'Universitat Autònoma de Barcelona et de l'université de Genève affirme désormais l'avoir prouvé.

Le résultat, publié dans Nature Physics, est une limite de vitesse universelle à la vitesse à laquelle un système dont les parties sont à des températures différentes atteint l'équilibre thermique. Les chercheurs affirment que rien de ce que l'on peut faire au système ne peut la modifier. Les physiciens avaient déjà repéré des indices d'une telle limite dans les supraconducteurs et d'autres systèmes quantiques, mais remarquer n'est pas prouver. Pour le démontrer, l'équipe a utilisé un cadre mathématique universel qui traite la thermalisation comme un processus amenant différents systèmes quantiques dans leurs états thermiques correspondants, ainsi que la théorie de l'information quantique pour calculer la rapidité avec laquelle cela peut se produire selon les règles de la mécanique quantique.

La preuve a ensuite été vérifiée sur un modèle théorique de particules quantiques. Les équations montrent que la limite est fixée par la température du système et par deux constantes : la constante de Planck réduite et la constante de Boltzmann, qui relie l'énergie cinétique moyenne des particules d'un gaz à la température thermodynamique. Même lorsque les composants sont à des températures élevées et semblent s'équilibrer rapidement, ils ne peuvent dépasser cette limite. Les auteurs concluent que la limite dépend de la température et de la mécanique quantique, et non de la complexité de l'environnement. Lorsque les écarts de température sont faibles, c'est en revanche le rythme qui est fixé par les deux états de plus basse énergie du système.

Qu'est-ce qui change concrètement ? Pour l'instant, très peu de chose de tangible : le travail est une démonstration mathématique appliquée à un modèle théorique, et la source ne fait état d'aucune expérience, d'aucun dispositif ni d'aucun produit. Ce qu'il fait, c'est fixer une frontière que les ingénieurs des futures technologies quantiques devront respecter. Les résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche en informatique quantique et en détection, des domaines où la rapidité à laquelle un système quantique se stabilise conditionne ce qu'il peut faire. La source ne donne ni date ni estimation du moment où de telles applications pourraient voir le jour.

La valeur de ce résultat tient à ce qu'il transforme une intuition ancienne en fait démontré, et ce, au niveau même où les règles sont écrites. Une tasse de café continuera de refroidir à son propre rythme, mais la physique qui fixe ce rythme repose désormais sur une preuve, et cette preuve sert de point de départ aux équipes qui vont s'appuyer dessus.