Kwantum Mpemba-effect Experimenteel Geverifieerd: Versnelling van Relaxatie in Kwantumsystemen
Onderzoekers uit China, Groot-Brittannië en Singapore hebben het kwantum Mpemba-effect experimenteel aangetoond, waarmee ze aantonen dat specifieke beginvoorwaarden de relaxatie in kwantumsystemen kunnen versnellen. Dit fenomeen weerspiegelt het klassieke Mpemba-effect, waarbij, paradoxaal genoeg, warm water sneller kan afkoelen dan koud water onder bepaalde omstandigheden.
De bevindingen van het team, gepubliceerd in Nature Communications, omvatten het gebruik van enkelvoudige gevangen ionen om de relaxatie van een zuivere toestand naar een stationaire toestand exponentieel te versnellen. Dit is een belangrijk kenmerk van het sterke Mpemba-effect (sME). Het onderzoek biedt strategieën voor het ontwerpen en analyseren van open kwantumsystemen, wat mogelijk ten goede komt aan kwantumbatterijen en andere technologieën.
De studie benadrukt dat de vervalsnelheid van een systeem in een sME-toestand groter is dan die van andere, waarbij de invloed van beginvoorwaarden op de evenwichtssnelheid wordt benadrukt. Terwijl klassieke systemen worden beschreven door de Fokker-Planck-vergelijking met temperatuur als de belangrijkste variabele, volgen kwantumsystemen de Lindblad-mastervergelijking, waarbij de energie van de sME-toestand cruciaal is.
Onderzoekers creëerden een zuivere toestand met nul overlap met de langzaamste vervalmodus (SDM) door een Ca-ion te vangen en drie energieniveaus te koppelen met behulp van laserinteracties. Door Rabi-frequenties af te stemmen, observeerden ze verschillende relaxatieregimes. De overgang van sME naar zwakke ME vond plaats wanneer de verhouding van Rabi-frequenties gelijk was aan het Liouvilliaanse uitzonderingspunt (LEP).
Hui Jing, een natuurkundige aan de Hunan Normal University in China, merkt op dat het relaxatiepad van de kwantum sME de LEP omvat, waar de eigenwaarde van de dynamische generator verandert van reëel naar complex. Dit werk biedt een alternatieve methode voor het verhogen van ionenkoelsnelheden en het verbeteren van de efficiëntie van kwantumbatterijen. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het gedrag van het kwantum Mpemba-effect bij de LEP, wat mogelijk leidt tot nog snellere vervalsnelheden.