Efekt Mpemby w pojedynczym kubicie potwierdzony w eksperymencie

Fizycy z Southeast University pokazali w doświadczeniu optycznym, że nawet pojedynczy kubit może wrócić do równowagi termicznej szybciej, jeśli na starcie jest od niej dalej. To tzw. mocny efekt Mpemby w układzie kwantowym. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Na czym polega efekt Mpemby

Zwykle zakładamy, że im bardziej układ został wytrącony z równowagi, tym dłużej będzie do niej wracał. Czasem jest jednak odwrotnie: układ startujący z większej odległości od równowagi dociera do niej szybciej niż ten, który zaczynał bliżej. Zjawisko to nazywa się efektem Mpemby.

Jedno z wyjaśnień dotyczy tego, że początkowe zaburzenie składa się z kilku składowych, które wygasają w różnym tempie. Jeśli stan wyjściowy nie zawiera najwolniej zanikającej składowej, układ może zbliżać się do równowagi wyraźnie szybciej. Taki mechanizm określa się jako mocny efekt Mpemby.

Jak zasymulowano kubit

Kubit to podstawowa jednostka informacji kwantowej, która może znajdować się w superpozycji dwóch stanów. Chiński zespół zakodował go w polaryzacji pojedynczego fotonu, czyli w sposobie drgań jego pola świetlnego. Dodatkowe ścieżki, którymi mógł podążać foton, pełniły rolę elementów pomocniczych, imitujących oddziaływanie kubitu z otoczeniem.

Całość opisywała tzw. mapa Daviesa, czyli reguła matematyczna określająca, jak układ kwantowy zmienia się w czasie, gdy słabo oddziałuje z otoczeniem o stałej temperaturze. Teoria opracowana w 2024 roku przez badaczy z Trinity College Dublin i Uniwersytetu Ludwiga-Maximiliana w Monachium wskazywała, że w tym przypadku najwolniejsze tryby zaniku są czysto koherentne. Kubit pozbawiony koherencji między poziomami energii mógłby więc te wolne procesy ominąć.

Badacze przygotowali kubit w dwóch stanach początkowych: w stanie własnym energii, bez koherencji, oraz w superpozycji dwóch stanów energetycznych, czyli z koherencją. Temperaturę i czas ewolucji zakodowano w kątach ustawienia płytek falowych, więc zmiana parametrów wymagała tylko ich obrócenia. Stany mierzono metodą tomografii stanów kwantowych.

Wynik i jego znaczenie

Kubit startujący ze stanu własnego energii osiągał równowagę szybciej, choć miał na początku wyższą swobodną energię nierównowagową, a więc był dalej od równowagi. Kolejność obu stanów pod tym względem się odwróciła. Zespół sprawdził też wiarygodność symulacji: dwukrotne zastosowanie ewolucji „na czas t” dawało ten sam efekt co ewolucja „na czas 2t”.

Jak ujął to kierujący badaniem Peng Xue: „Usunięcie koherencji przyspiesza relaksację, a jednocześnie koherencja niesie energię swobodną nierównowagową ponad to, co dają klasyczne obsadzenia”.

Autorzy wskazują, że wyniki mogą w przyszłości przydać się do budowy kwantowych maszyn cieplnych wykorzystujących efekt Mpemby, szybszych metod chłodzenia, przygotowywania stanów kwantowych oraz fotonicznych platform do badania termodynamiki kwantowej układów otwartych. Planują też badania na układach wielowymiarowych i oddziałujących.

Co to oznacza w praktyce

Jest to podstawowe badanie laboratoryjne i nie ma jeszcze bezpośredniego zastosowania w urządzeniach, z których korzysta się na co dzień. Znaczenie ma przede wszystkim dla zrozumienia, jak układy kwantowe zachowują się w kontakcie z otoczeniem, a to jeden z głównych problemów przy budowie komputerów kwantowych.

Praca nie dotyczy bezpośrednio Polski ani Unii Europejskiej, ale europejskie ośrodki, w tym Trinity College Dublin i uczelnia w Monachium, zajmują się tą samą dziedziną. Autorzy opisywanego doświadczenia opierali się właśnie na ich teoretycznych przewidywaniach.

Źródło: Phys.org – „Optical experiment demonstrates the strong Mpemba effect in a single qubit”