Optički eksperiment demonstrira snažan Mpemba efekat u pojedinačnom kubitu

Obično, nakon što je neki fizički sistem poremećen, on se može postepeno vratiti u stanje toplotne ravnoteže razmenjujući toplotu sa svojim okruženjem. Toplotna ravnoteža je stanje u kojem nema neto transfera toplote između sistema i njegovog okruženja.

Može se pretpostaviti da će poremećenom sistemu biti potrebno više vremena da se stabilizuje ako je udaljeniji od ravnoteže. Pod izvesnim uslovima, međutim, dešava se suprotno, pa se sistemi koji počinju dalje od ravnoteže približavaju brže od onih čiji početak je bliže. Ovaj kontraintuitivni fenomen poznat je kao Mpemba efekat.

Preporučujemo

U nekim slučajevima, Mpemba efekat se javlja zato što različite komponente početnog poremećaja sistema opadaju različitim brzinama, a ako početno stanje sistema ne sadrži komponente koje najsporije opadaju - može se brže približiti ravnoteži. To je glavna ideja iza takozvanog snažnog Mpemba efekta.

Istraživači sa Jugoistočnog univerziteta u Nankingu u Kini su nedavno sproveli optički eksperiment koji je demonstrirao ovaj efekat u pojedinačnom kubitu, jedinici kvantne informacije koja može biti u superpoziciji dva stanja. Njihov rad daje novi uvid u način kako bi snažan Mpemba efekat mogao oblikovati put sistema nazad do ravnoteže.

„Među različitim mehanizmima predloženim za Mpemba efekat, 'snažan' Mpemba efekat daje konceptualno najtransparentniji: relaksacija je eksponencijalno ubrzana kad se početno stanje ne preklapa sa režimom najsporijeg opadanja“, kažu autori. „Međutim, odmah se javlja očigledan problem. Uveliko se smatra da ovaj mehanizam zahteva specifičan režim najsporijeg opadanja“.

Simulacija toplotne relaksacije pomoću svetlosti

Teorijski model koji su 2024. godine predstavili istraživači sa Triniti koledža u Dablinu i Univerziteta Ludvig Maksimilijan u Minhenu sugeriše da u dinamici opisanoj Dejvisovom mapom nekoliko režima može deliti najsporiju brzinu opadanja, a svi ovi režimi uključuju gubitak kvantne koherencije.

Dejvisova mapa je matematičko pravilo koje opisuje kako se kvantni sistem menja tokom vremena u slaboj interakciji sa svojim okruženjem na fiksnoj temperaturi.

Teorija sugeriše da su za takozvanu Dejvisovu mapu najsporiji degenerativni režimi sasvim koherentni. To znači da bi kubit, ako počinje bez koherencije između svojih energetskih nivoa, mogao da preskoči ove spore procese.

„Na osnovu ove teorije, uklanjanje koherencije iz početnog stanja moglo bi obnoviti efekat. Inspirisani ovim, hteli smo da eksperimentalno demonstriramo mehanizam u minimalnom kvantnom sistemu – jednom kubitu – i da identifikujemo tačnu ulogu kvantne koherencije“, kažu istraživači.

U eksperimentu je simuliran kubit koji se približava stanju toplotne ravnoteže koristeći foton (tj. česticu svetlosti). Kubit je kodiran u polarizaciju fotona, varijacije u načinu kako njegovo svetlosno polje oscilira, dok su različite putanje kojima bi foton mogao krenuti služile kao ancile. U ovom kontekstu, ancile su dodatne komponente korišćene za simulaciju interakcija kubita sa njegovim okruženjem.

Kubit je pripremljen u dva posebna početna stanja. U jednom od ovih stanja, energetskom sopstvenom stanju, kubit je imao određenu energiju i nije imao kvantnu koherenciju između svojih energetskih nivoa, što je omogućilo zaobilaženje najsporijih faza povratka u toplotnu ravnotežu.

U drugom stanju, kubit je bio u superpoziciji dva različita energetska stanja i počeo je svoju relaksaciju sa koherencijom. Kao rezultat, spori procesi su još uticali na putovanje ka ravnoteži.

„Merili smo evoluciju ovih stanja koristeći tehniku zvanu tomografija kvantnog stanja i pratili njihove slobodne energije neravnoteže. Na kraju smo potvrdili da simulator verno implementira Dejvisovu mapu putem svojstva polugrupe“, kažu istraživači.

Put ka testiranju kako kvantni sistemi postižu ravnotežu

Otkriveno je da se kubit koji počinje u energetskom sopstvenom stanju brže približava toplotnoj ravnoteži nego onaj koji počinje u superpoziciji dva stanja, iako je energetsko sopstveno stanje u početku imalo višu slobodnu energiju neravnoteže i stoga je bilo dalje od ravnoteže. Ovaj nalaz ukazuje da je uspešno osmotren kvantni snažan Mpemba efekat u sistemu sa jednim kubitom.

„Slobodne energije neravnoteže dva početna stanja jasno preokreću svoj poredak: stanje koje počinje dalje od ravnoteže ima bržu relaksaciju. Takođe smo postigli elegantan optički dizajn u kom vreme evolucije ne postoji fizički. Umesto toga, potpuno je kodirano u pozicione uglove optičkih elemenata“, kažu istraživači.

Kao deo eksperimenata, takođe su procenili koliko tačno njihova optička postavka reprodukuje očekivanu dinamiku sistema. Radi toga su testirali da li uzastopna primena iste simulirane evolucije dva puta daje isti rezultat kao primena jednom za dvostruko simulirano trajanje.

Iako u postavci nema realnog vremena, ova provera potvrđuje da simulirana dinamika verno realizuje Dejvisovu mapu, kažu autori studije. Štaviše, ovde su pokazane dve uloge koherencije. Uklanjanje koherencije ubrzava relaksaciju, dok koherencija takođe nosi slobodnu energiju neravnoteže dalje od klasičnih populacija.

Ova studija bi mogla doprineti razumevanju snažnog Mpemba efekta. U budućnosti bi mogla takođe pomoći u razvoju novih kvantnih toplotnih mašina koje koriste Mpemba efekat, bržih tehnika hlađenja, naprednih metoda za pripremu kvantnih stanja ili podesivih fotonskih platformi za proučavanje kvantne termodinamike otvorenih sistema.

„Planiramo da proširimo studiju sa pojedinačnog kubita na visokodimenzionalne sisteme (npr. modele rešetke i kvantne šetnje) i otvorene sisteme sa više tela u interakciji, kao i da istražimo mešovita početna stanja“, kažu istraživači.

„Takođe ćemo koristiti našu modularnu šemu, koja može da realizuje arbitrarne kvantne kanale koji čuvaju trag u linearnoj optici, za proučavanje kvantne termodinamike i kvantnih toplotnih mašina sa podrškom Mpemba efekta“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)