Китайские физики экспериментально подтвердили необычный квантовый эффект, при котором система, находящаяся дальше от теплового равновесия, возвращается к нему быстрее. Исследователи воспроизвели такое поведение на одном кубите и выяснили, как управлять скоростью его релаксации.
Открытие связано с так называемым сильным эффектом Мпембы, существование которого в минимальной квантовой системе удалось продемонстрировать с помощью света. Команда Юго-Восточного университета Китая показала, что скорость возвращения кубита к равновесию зависит не столько от его первоначального состояния, сколько от наличия квантовой когерентности. Результаты эксперимента опубликованы 22 октября в журнале Physical Review Letters.
Обычно физическая система после внешнего воздействия постепенно возвращается к равновесию с окружающей средой. Логично предположить, что чем сильнее первоначальное отклонение, тем больше времени потребуется для восстановления. Однако эффект Мпембы описывает противоположную ситуацию, когда система, находившаяся дальше от равновесия, достигает его раньше той, которая изначально была ближе.
Название явления связано с известным парадоксом горячей воды, которая при определённых условиях способна замерзать быстрее холодной. Однако речь не об универсальном свойстве воды. Подобное поведение возникает лишь при определённых условиях, а объяснять его могут разные физические механизмы. Один из них получил название сильного эффекта Мпембы и предполагает резкое ускорение релаксации благодаря особому выбору начального состояния системы.
Чтобы проверить механизм на квантовом уровне, физики использовали одиночный фотон. Информацию записали в его поляризации, то есть направлении колебаний электрического поля световой волны. Таким способом исследователи создали кубит, способный находиться в суперпозиции двух энергетических состояний. Дополнительные пути прохождения фотона позволили имитировать взаимодействие квантовой системы с окружающей средой.
В основе установки лежала математическая модель, известная как отображение Дэвиса. Она описывает, как квантовая система постепенно приближается к тепловому равновесию при слабом взаимодействии со средой постоянной температуры. Учёные реализовали модель с помощью стандартных оптических компонентов. Температуру и продолжительность моделируемой эволюции задавали углами поворота специальных пластин, изменяющих поляризацию света.
Главный эксперимент состоял в сравнении двух начальных состояний одного кубита. В первом случае частица находилась в определённом энергетическом состоянии без когерентности между энергетическими уровнями. Во втором исследователи создавали когерентную суперпозицию двух состояний. Квантовая когерентность означает сохранение определённых фазовых соотношений между компонентами суперпозиции, благодаря которым возможны характерные квантовые эффекты.
Результат оказался противоположным привычной интуиции. Кубит с определённой энергией начинал дальше от теплового равновесия, но приближался к нему быстрее, чем кубит в суперпозиции. Различие исследователи оценивали по неравновесной свободной энергии, которая учитывает энергетические и информационные характеристики состояния. В ходе эволюции первоначальное соотношение этих величин менялось на обратное.
Причину удалось установить через анализ скорости затухания различных компонентов квантового состояния. Некоторые из них исчезают медленнее остальных и определяют продолжительность всего процесса. В модели Дэвиса самые медленные компоненты связаны исключительно с когерентностью. Если подготовить кубит без неё, медленные процессы не вносят вклад в его возвращение к равновесию, и релаксация ускоряется.
Особенность сильного эффекта Мпембы заключается в том, что устранение наиболее медленных компонентов меняет саму скорость экспоненциального приближения к равновесию. Раньше реализацию подобного механизма обычно связывали с существованием единственного самого медленного режима затухания. Однако в квантовых системах несколько режимов могут иметь одинаковую скорость, что усложняет задачу.
В 2024 году исследователи из Тринити-колледжа в Дублине и Мюнхенского университета Людвига Максимилиана теоретически показали, что при определённых условиях достаточно устранить когерентность между энергетическими уровнями. Даже если медленных режимов несколько, система сможет избежать их влияния. Китайская группа экспериментально проверила предложенный механизм на простейшем возможном примере.
Для проверки результатов физики применили квантовую томографию, позволяющую восстановить состояние частицы по серии измерений. Отдельно команда убедилась, что оптическая установка правильно воспроизводит математическую модель. Последовательное применение двух одинаковых этапов моделируемой эволюции давало тот же результат, что и один этап удвоенной продолжительности.
Любопытная особенность эксперимента заключается в отсутствии настоящего течения времени в моделируемом процессе. Учёные не ждали, пока фотон физически охладится или придёт к тепловому равновесию. Вместо этого оптическая схема воспроизводила состояния, соответствующие разным моментам эволюции. Для перехода к следующему моменту достаточно было изменить положение оптических элементов, не перестраивая установку.
Квантовый эффект Мпембы уже наблюдали в более сложных физических системах. Например, в 2024 году исследователи продемонстрировали его на квантовом симуляторе с захваченными ионами, изучая восстановление симметрии. Новая работа отличается тем, что воспроизводит именно сильный квантовый эффект Мпембы на одном кубите и связывает ускорение тепловой релаксации с устранением когерентности.
Практических устройств на основе открытия пока нет. Однако результаты могут пригодиться при разработке методов подготовки квантовых состояний и изучении квантовых тепловых машин, в которых энергия передаётся и преобразуется с учётом законов квантовой механики. Возможность управлять скоростью релаксации особенно интересна для систем, где взаимодействие с окружающей средой необходимо контролировать с высокой точностью.
Следующим этапом исследователи планируют перейти от одного кубита к системам большей размерности, квантовым блужданиям и взаимодействующим многочастичным системам. Команда также намерена изучить смешанные начальные состояния, в которых сочетаются классическая неопределённость и квантовые свойства. Пока эксперимент подтверждает механизм в контролируемой оптической модели, а его применимость к более сложным физическим устройствам ещё предстоит проверить.
