Физики экспериментально подтвердили необычный квантовый эффект: система, которая изначально находится дальше от теплового равновесия, может вернуться к нему быстрее более близкой. Учёные воспроизвели парадокс на одном кубите и выяснили, почему отсутствие определённых квантовых свойств ускоряет восстановление. Результат поможет лучше понять, как управлять поведением квантовых систем.
В привычном мире всё обычно происходит наоборот. Если нагреть два предмета до разной температуры и оставить остывать в одинаковых условиях, более горячему, как правило, потребуется больше времени, чтобы достичь заданной температуры. Но физика допускает исключения. Например, при определённых условиях горячая вода способна замёрзнуть быстрее холодной. Необычное явление известно как эффект Мпембы, хотя причины ускоренного охлаждения могут различаться.
В квантовом мире парадокс возникает по другой причине. Когда система возвращается к равновесию, следы её первоначального состояния исчезают с разной скоростью. Некоторые изменения затухают особенно медленно и задерживают весь процесс. Если подготовить систему так, чтобы наиболее медленных составляющих изначально не было, возвращение к равновесию резко ускорится. Физики называют такой механизм сильным эффектом Мпембы.
Чтобы проверить механизм, исследователи создали оптическую установку с одиночными фотонами. Информацию записывали в поляризации света, то есть в направлении колебаний его электрического поля. Таким способом учёные получили кубит, минимальную единицу квантовой информации. Дополнительные пути прохождения фотона позволяли воспроизводить взаимодействие кубита с окружающей средой.
Главная проверка состояла в сравнении двух начальных состояний. Сначала физики подготовили кубит с определённой энергией, без квантовой когерентности между энергетическими уровнями. Затем перевели его в суперпозицию двух энергетических состояний, сохранив когерентность. Под когерентностью понимают согласованность фаз между компонентами суперпозиции, благодаря которой проявляются характерные квантовые эффекты.
Результат оказался неожиданным. Кубит с определённой энергией начинал дальше от равновесия, но приближался к нему быстрее, чем кубит в суперпозиции. Расстояние до равновесия учёные оценивали по неравновесной свободной энергии, которая учитывает энергетические характеристики системы и распределение вероятностей её состояний. Измерения показали, что первоначально более далёкое состояние постепенно обгоняло другое.
Причину учёные объяснили с помощью математической модели Дэвиса. Модель описывает, как квантовая система меняется при слабом взаимодействии с окружающей средой постоянной температуры. Самые медленные изменения в рассматриваемом случае отвечают за исчезновение квантовой когерентности. Поэтому кубит без когерентности сразу избегает медленных этапов и быстрее приближается к равновесию. Кубиту в суперпозиции приходится проходить через дополнительные изменения, которые тормозят восстановление.
Для наблюдения за процессом физикам даже не понадобилось ждать, пока кубит изменится со временем. Вместо настоящего течения времени установка воспроизводила отдельные моменты его развития. Исследователи поворачивали специальные оптические пластины, меняя параметры света, и получали состояния, соответствующие разным этапам приближения к равновесию. Тем же способом задавали температуру окружающей среды в математической модели.
Учёные также проверили точность моделирования. Два последовательных этапа изменений должны были давать тот же результат, что и один этап удвоенной продолжительности. Установка успешно прошла проверку, а измерения квантовых состояний подтвердили предсказания теории.
Пока физики воспроизвели эффект на одном кубите в управляемой оптической системе. Практического способа мгновенно охлаждать квантовые процессоры эксперимент не даёт, однако понимание механизма может помочь ускорить подготовку квантовых состояний и разработать новые способы управления теплообменом. Теперь исследователи собираются проверить эффект в более сложных системах, где взаимодействуют множество квантовых частиц.
