Quantum Mpemba-effekten antyder hurtigere kvantecomputere – Physics World

Quantum Mpemba-effekten antyder hurtigere kvantecomputere – Physics World

Tidsstempel: 13. september 2023 kl. 11

Tegneserie, der viser to katte, der starter ved lidt forskellige høje temperaturer, og derefter efter et stykke tid (repræsenteret ved et ur), er den oprindeligt mere energiske kat mere afslappet (ligger og slumrer), mens den oprindeligt mindre energiske kat blot er noget afslappet (ligger ned)
To kølige(nde) katte: To systemer af kvanteprikker forbundet til et varmebad (her repræsenteret af katte), den ene med en strøm, og den anden i ligevægtstilstand, oplever en "krydsning", når kvanteprikken slapper af mod en stabil stat. (Med høflighed: KyotoU/Hisao Hayakawa)

Da den tanzaniske skoledreng Erasto Mpemba spurgte en gæsteforelæser, hvorfor varmt vand fryser hurtigere end koldt, kunne han ikke have gættet, at hans observation – lavet under fremstilling af is – ville tiltrække nogle af verdens største fysikere opmærksomhed. Fænomenet er nu kendt som Mpemba-effekten, men varianter af den har forvirret filosoffer og fysikere siden Aristoteles' dage, og den er efterfølgende blevet observeret i andre sammenhænge, ​​bl.a. magnetiske systemer der viser kolossal magnetoresistens og kolloide perler, der falder gennem en optisk pincet.

En trio af forskere i Japan har nu tilføjet denne liste ved at demonstrere Mpemba-effekten teoretisk i et simpelt kvantesystem. Resultatet kan pege på måder at gøre kvantecomputere mere effektive, selvom det er et teammedlem Hisao Hayakawa advarer om, at det er tidlige dage. "Indtil videre har vi ikke så mange eksperimenter med kvante Mpemba-effekten," fortæller han Fysik verden.

Kvante definition

Arten af ​​Mpemba-effekten har været meget omdiskuteret, med spørgsmål, der opstår ikke kun over dens mekanismer og dens nødvendige startbetingelser, men endda dens definition. Ligger hastigheden op i den tid, det tager for frysning (eller anden faseændring) at begynde? Skal faseændringen være fuldstændig? Eller er den vigtige faktor blot den tid, det tager systemet at synke under den temperatur, hvor faseændringen forventes?

I det seneste arbejde, Hayakawa og hans Kyoto University kollega Amit Kumar Chatterjee, sammen med Satoshi Takada fra Tokyo University of Agriculture and Technology, definerede Mpemba-effekten i form af en krydsning af den mængde, de overvågede. I vand vil denne krydsning forekomme, når temperaturen af ​​den varmere væske, som afkøles hurtigere, "krydser" temperaturen af ​​den koldere væske, hvilket gør den tidligere varmere væske til den koldere.

For Chatterjee, Hayakawa og Takada fandt denne krydsning sted i et modelleret system bestående af en kvanteprik forbundet til to reservoirer, der fungerer som køleplader (en rolle, som fryseren spillede i den originale is-baserede Mpemba-effekt). Reservoirerne starter ved samme temperatur, med forskellen i deres startbetingelser leveret af det kemiske potentiale af de to reservoirer, som kan være ens (indikerer ligevægt) eller ej. Trioen karakteriserede derefter kvanteprikkens tilstand og observerede, om den havde to elektroner med modsatrettede kvantespind, en enkelt elektron med enten et op- eller nedadspin eller slet ingen elektroner. Sammen definerede disse mulige tilstande en parameter, som de kunne spore, når systemet slapper af eller opnår ligevægt - svarende til isafkølingen til temperaturen i fryseren, den er i.

Mens kvanteprikken slapper af, forklarer Hayakawa, at dens dynamik - det vil sige hvordan dens tilstand udvikler sig - "husker den oprindelige tilstand". Med andre ord er afslapningen hurtigere, når reservoirerne til at begynde med ikke er i ligevægt, og den sporede parameter ved ligevægtsstartbetingelser krydser den for dens ikke-ligevægtsmodstykke – Mpemba-effekten i aktion.

Metastabilitetens rolle

En af de komplicerende faktorer i den oprindelige Mpemba-effekt er, at vand er et komplekst stof, der kan eksistere i metastabile tilstande. Tænk på disse tilstande som værende som en stol i et rum besat af en udmattet person. Når den udmattede person ser stolen, vil den sandsynligvis falde ind i den og først senere lægge sig ned på gulvet for at slappe helt af. Hvis stolen ikke var der, ville den udmattede person sandsynligvis lægge sig ned med det samme og nå en fuldstændig afslappet tilstand meget hurtigere.

Der er blevet lagt meget vægt på disse metastabile tilstande, og mange undersøgelser har konkluderet, at det er denne langsomste afslapningsrute, der driver Mpemba-effekten. Kvantepunktsystemet har dog ingen metastabile tilstande. Hvad mere er, antydede holdets analyse, at det var den kombinerede rolle af de hurtigere afslapningsruter, der bestemte effekten – en stor overraskelse.

Chatterjee fortæller Fysik verden at mens metastabilitet kan være "tilstrækkelig i nogle systemer", afslører deres forenklede kvantepunktsystem "en anden form for tilstrækkelige betingelser". Han foreslår, at undersøgelser til dato endnu ikke har fastlagt betingelser eller krav, der er universelt gældende, selvom det kan komme. "Jeg tror, ​​at hele samfundet forsøger at finde forskellige mekanismer til at se kvante Mpemba-effekten," siger han.

Ting bliver cool

Forskerne var ivrige efter at se, om de kunne demonstrere Mpemba-effekten på en måde, der ligner originalen, og definerede derefter en temperatur for deres system. Da dette kvantesystem mangler trillioner af molekyler med statistisk meningsfulde ensemblekarakteristika, der giver anledning til temperatur i den klassiske verden, bemærker Hayakawa, at "definitionen af ​​temperatur er meget subtil". Faktisk er der flere måder at omsætte kvantetilstande til temperatur, som hver især producerer parametre med deres egen nuancerede adfærd.

I dette tilfælde valgte forskerne at bruge en temperatur defineret af forholdet mellem ændringer - den partielle afledte - i energi og en mængde kaldet von Neumann-entropi. Entropi er en anden glat størrelse for kvantesystemer, men von Neumann-entropien er ret konventionelt relateret til kvanteprikkens mulige tilstande. Ved at bruge denne definition var holdet også i stand til at demonstrere Mpemba-effekten.

John Bechhoefer, en fysiker ved Simon Fraser University i Canada, der ledede et eksperiment demonstrerer Mpemba-effekten i et kolloid ved hjælp af en optisk pincet i 2020, bemærker, at der har været noget tidligere arbejde med "kvante Mpemba-effekter", og Kyoto-Tokyo-teamet anerkender dette. Bechhoefer tilføjer dog, at disse tidligere undersøgelser fokuserede på forskellige typer af afspænding til ligevægt – for eksempel i magnetisering. "Det er meget tilfredsstillende at se, at den 'oprindelige' effekt også forudsiges i ret simple kvantesystemer, og jeg håber, at denne artikel inspirerer til eksperimentelle søgninger i kvantesystemer i den virkelige verden," fortæller Bechhoefer. Fysik verden.

Chatterjee, Hayakawa og Takada planlægger nu at se på mulige sammenhænge mellem deres resultater og kvantehastighedsgrænser, som udspringer af usikkerhedsprincippet og sætter begrænsninger for, hvor hurtigt et kvantesystem kan ændre sig fra en tilstand til en anden. Selvom ingen endnu har fastgjort denne forbindelse, kan både kvantehastighedsgrænser og afslapningshastigheder påvirke driften af ​​kvantecomputere, som skal nå deres afslappede tilstande hurtigt for at behandle information rettidigt.

Resultaterne er rapporteret i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden