Eksperymentalne potwierdzenie kwantowego efektu Mpemby: Przyspieszenie relaksacji w układach kwantowych

Naukowcy z Chin, Wielkiej Brytanii i Singapuru eksperymentalnie zademonstrowali kwantowy efekt Mpemby, pokazując, że specyficzne warunki początkowe mogą przyspieszyć relaksację w układach kwantowych. Zjawisko to odzwierciedla klasyczny efekt Mpemby, gdzie paradoksalnie gorąca woda może stygnąć szybciej niż zimna woda w określonych warunkach.

Wyniki zespołu, opublikowane w Nature Communications, obejmowały wykorzystanie pojedynczych uwięzionych jonów do wykładniczego przyspieszenia relaksacji stanu czystego do stanu stacjonarnego. Jest to kluczowa cecha silnego efektu Mpemby (sME). Badania dostarczają strategii projektowania i analizowania otwartych układów kwantowych, potencjalnie korzystnych dla baterii kwantowych i innych technologii.

Badanie podkreśla, że szybkość zaniku systemu w stanie sME jest większa niż w innych, podkreślając wpływ warunków początkowych na szybkość równowagi. Podczas gdy układy klasyczne są opisywane równaniem Fokkera-Plancka z temperaturą jako kluczową zmienną, układy kwantowe podlegają równaniu Lindblada, gdzie energia stanu sME jest kluczowa.

Naukowcy stworzyli stan czysty z zerowym nakładaniem się z najwolniejszym trybem zaniku (SDM), uwięziując jon Ca i sprzęgając trzy poziomy energii za pomocą interakcji laserowych. Dostrajając częstotliwości Rabiego, zaobserwowali różne reżimy relaksacji. Przejście od sME do słabego ME nastąpiło, gdy stosunek częstotliwości Rabiego był równy punktowi wyjątkowemu Liouville'a (LEP).

Hui Jing, fizyk z Hunan Normal University w Chinach, zauważa, że ścieżka relaksacji kwantowego sME obejmuje LEP, gdzie wartość własna generatora dynamicznego zmienia się z rzeczywistej na zespoloną. Ta praca oferuje alternatywną metodę zwiększania szybkości chłodzenia jonów i zwiększania wydajności baterii kwantowych. Przyszłe badania skupią się na zachowaniu kwantowego efektu Mpemby w LEP, potencjalnie prowadząc do jeszcze szybszych szybkości zaniku.