Το φαινόμενο Quantum Mpemba υποδηλώνει ταχύτερους κβαντικούς υπολογιστές – Physics World

Το φαινόμενο Quantum Mpemba υποδηλώνει ταχύτερους κβαντικούς υπολογιστές – Physics World

Χρονική σήμανση: 13 Σεπτεμβρίου 2023 11:00 π.μ.

Γελοιογραφία που δείχνει δύο γάτες να ξεκινούν σε ελαφρώς διαφορετικές υψηλές θερμοκρασίες, στη συνέχεια μετά από μια χρονική περίοδο (που αντιπροσωπεύεται από ένα ρολόι), η αρχικά πιο ενεργητική γάτα είναι πιο χαλαρή (ξαπλωμένη και χουχουλιάρισε), ενώ η αρχικά λιγότερο ενεργητική γάτα είναι απλώς κάπως χαλαρή (ξαπλώνω)
Δύο ψυχρές γάτες: Δύο συστήματα κβαντικών κουκκίδων που συνδέονται με ένα θερμικό λουτρό (που αντιπροσωπεύεται εδώ από γάτες), το ένα με ρεύμα που ρέει και το άλλο σε κατάσταση ισορροπίας, βιώνουν μια «διασταύρωση» καθώς η κβαντική κουκκίδα χαλαρώνει προς μια σταθερή κατάσταση. (Ευγενική προσφορά: KyotoU/Hisao Hayakawa)

Όταν ο Τανζανός μαθητής Erasto Mpemba ρώτησε έναν επισκέπτη ομιλητή γιατί το ζεστό νερό παγώνει γρηγορότερα από το κρύο, δεν μπορούσε να μαντέψει ότι η παρατήρησή του – που έγινε ενώ έφτιαχνε παγωτό – θα τραβούσε την προσοχή μερικών από τους μεγαλύτερους φυσικούς του κόσμου. Το φαινόμενο είναι πλέον γνωστό ως το φαινόμενο Mpemba, αλλά παραλλαγές του έχουν μπερδέψει φιλοσόφους και φυσικούς από την εποχή του Αριστοτέλη και στη συνέχεια έχει παρατηρηθεί σε άλλα πλαίσια, όπως μαγνητικά συστήματα που εμφανίζουν κολοσσιαία μαγνητοαντίσταση και κολλοειδείς χάντρες που πέφτουν μέσα από τη διαδρομή των οπτικών λαβίδων.

Μια τριάδα ερευνητών στην Ιαπωνία έχει πλέον προστεθεί σε αυτή τη λίστα επιδεικνύοντας το φαινόμενο Mpemba θεωρητικά σε ένα απλό κβαντικό σύστημα. Το αποτέλεσμα μπορεί να δείχνει τρόπους για να γίνουν οι κβαντικοί υπολογιστές πιο αποτελεσματικοί, αν και μέλος της ομάδας Hisao Hayakawa προειδοποιεί ότι είναι νωρίς. «Μέχρι στιγμής, δεν έχουμε τόσα πολλά πειράματα για το κβαντικό φαινόμενο Mpemba», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Κβαντικός ορισμός

Η φύση του φαινομένου Mpemba έχει συζητηθεί πολύ, με ερωτήματα που προκύπτουν όχι μόνο σχετικά με τους μηχανισμούς και τις απαιτούμενες αρχικές συνθήκες, αλλά ακόμη και τον ορισμό του. Η επιτάχυνση έγκειται στο χρόνο που απαιτείται για την έναρξη της κατάψυξης (ή κάποια άλλη αλλαγή φάσης); Χρειάζεται να ολοκληρωθεί η αλλαγή φάσης; Ή μήπως ο σημαντικός παράγοντας είναι απλώς ο χρόνος που χρειάζεται το σύστημα για να βυθιστεί κάτω από τη θερμοκρασία στην οποία αναμένεται η αλλαγή φάσης;

Στην τελευταία δουλειά, ο Hayakawa και ο συνάδελφός του στο Πανεπιστήμιο του Κιότο Amit Kumar Chatterjee, μαζί με Satoshi Takada του Πανεπιστημίου Γεωργίας και Τεχνολογίας του Τόκιο, όρισε το φαινόμενο Mpemba ως προς τη διασταύρωση της ποσότητας που παρακολουθούσαν. Στο νερό, αυτή η διασταύρωση θα συμβεί όταν η θερμοκρασία του θερμότερου υγρού, το οποίο ψύχεται πιο γρήγορα, «διασχίζει» αυτή του ψυχρότερου υγρού, καθιστώντας το άλλοτε θερμότερο υγρό στο ψυχρότερο.

Για τους Chatterjee, Hayakawa και Takada, αυτή η διασταύρωση έλαβε χώρα σε ένα μοντελοποιημένο σύστημα που αποτελείται από μια κβαντική κουκκίδα συνδεδεμένη με δύο δεξαμενές που λειτουργούν ως καταβόθρες θερμότητας (ένας ρόλος που έπαιξε ο καταψύκτης στο αρχικό φαινόμενο Mpemba με βάση το παγωτό). Οι δεξαμενές ξεκινούν στην ίδια θερμοκρασία, με τη διαφορά των συνθηκών εκκίνησης να τροφοδοτούνται από το χημικό δυναμικό των δύο δεξαμενών, το οποίο μπορεί να είναι ίσο (δείχνοντας ισορροπία) ή όχι. Στη συνέχεια, το τρίο χαρακτήρισε την κατάσταση της κβαντικής κουκκίδας, παρατηρώντας αν είχε δύο ηλεκτρόνια με αντίθετα κβαντικά σπιν, ένα μόνο ηλεκτρόνιο με σπιν προς τα πάνω ή προς τα κάτω ή καθόλου ηλεκτρόνια. Μαζί, αυτές οι πιθανές καταστάσεις καθόρισαν μια παράμετρο που θα μπορούσαν να παρακολουθήσουν καθώς το σύστημα χαλαρώνει ή επιτυγχάνει ισορροπία - το ισοδύναμο της ψύξης του παγωτού με τη θερμοκρασία του καταψύκτη στον οποίο βρίσκεται.

Καθώς η κβαντική κουκκίδα χαλαρώνει, ο Hayakawa εξηγεί ότι η δυναμική της –δηλαδή πώς εξελίσσεται η κατάστασή της– «θυμάται την αρχική κατάσταση». Με άλλα λόγια, η χαλάρωση είναι ταχύτερη όταν οι δεξαμενές δεν βρίσκονται αρχικά σε ισορροπία και η παρακολουθούμενη παράμετρος σε συνθήκες έναρξης ισορροπίας διασχίζει αυτήν της αντίστοιχης μη ισορροπίας - το φαινόμενο Mpemba σε δράση.

Ο ρόλος της μετασταθερότητας

Ένας από τους παράγοντες που περιπλέκουν το αρχικό φαινόμενο Mpemba είναι ότι το νερό είναι μια πολύπλοκη ουσία που μπορεί να υπάρχει σε μετασταθερές καταστάσεις. Σκεφτείτε αυτές τις καταστάσεις σαν μια καρέκλα σε ένα δωμάτιο που καταλαμβάνεται από ένα εξαντλημένο άτομο. Μόλις δει την καρέκλα, το εξαντλημένο άτομο πιθανότατα θα πέσει πάνω της και μόνο αργότερα θα ξαπλώσει στο πάτωμα για να χαλαρώσει πλήρως. Ωστόσο, εάν η καρέκλα δεν ήταν εκεί, το εξαντλημένο άτομο πιθανότατα θα ξαπλώσει αμέσως και θα έφτανε σε μια πλήρως χαλαρή κατάσταση πολύ πιο γρήγορα.

Έχει δοθεί μεγάλη έμφαση σε αυτές τις μετασταθερές καταστάσεις και πολλές μελέτες έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι αυτή η πιο αργή διαδρομή χαλάρωσης είναι που οδηγεί το φαινόμενο Mpemba. Ωστόσο, το σύστημα κβαντικών κουκκίδων δεν έχει μετασταθερές καταστάσεις. Επιπλέον, η ανάλυση της ομάδας πρότεινε ότι ήταν ο συνδυασμένος ρόλος των ταχύτερων διαδρομών χαλάρωσης που καθόρισε το αποτέλεσμα – μια μεγάλη έκπληξη.

Λέει ο Τσάτερτζι Κόσμος Φυσικής ότι ενώ η μετασταθερότητα μπορεί να είναι «αρκετή σε ορισμένα συστήματα», το απλοποιημένο σύστημα κβαντικών κουκκίδων τους αποκαλύπτει «ένα άλλο είδος επαρκών συνθηκών». Προτείνει ότι οι μέχρι σήμερα μελέτες δεν έχουν ακόμη καθορίσει συνθήκες ή απαιτήσεις που είναι καθολικά εφαρμόσιμες, αν και αυτό μπορεί να προκύψει. «Νομίζω ότι ολόκληρη η κοινότητα προσπαθεί να βρει διαφορετικούς μηχανισμούς για να δει το κβαντικό φαινόμενο Mpemba», λέει.

Τα πράγματα γίνονται δροσερά

Θέλοντας να δουν αν θα μπορούσαν να δείξουν το φαινόμενο Mpemba με τρόπο που να μοιάζει περισσότερο με το αρχικό, οι ερευνητές όρισαν στη συνέχεια μια θερμοκρασία για το σύστημά τους. Δεδομένου ότι αυτό το κβαντικό σύστημα στερείται των τρισεκατομμυρίων μορίων με στατιστικά σημαντικά χαρακτηριστικά συνόλου που προκαλούν τη θερμοκρασία στον κλασικό κόσμο, ο Hayakawa σημειώνει ότι «ο ορισμός της θερμοκρασίας είναι πολύ λεπτός». Στην πραγματικότητα, υπάρχουν διάφοροι τρόποι μετατροπής των κβαντικών καταστάσεων σε θερμοκρασία, καθένας από τους οποίους παράγει παραμέτρους με τη δική του διαφοροποιημένη συμπεριφορά.

Σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές επέλεξαν να χρησιμοποιήσουν μια θερμοκρασία που ορίζεται από την αναλογία των αλλαγών - τη μερική παράγωγο - στην ενέργεια και μια ποσότητα που ονομάζεται εντροπία von Neumann. Η εντροπία είναι μια άλλη ολισθηρή ποσότητα για κβαντικά συστήματα, αλλά η εντροπία von Neumann σχετίζεται αρκετά συμβατικά με τις πιθανές καταστάσεις της κβαντικής κουκκίδας. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον ορισμό, η ομάδα μπόρεσε επίσης να επιδείξει το φαινόμενο Mpemba.

Τζον Μπεχόφερ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser στον Καναδά που ηγήθηκε ενός πειράματος επίδειξη του φαινομένου Mpemba σε ένα κολλοειδές χρησιμοποιώντας οπτικό τσιμπιδάκι το 2020, σημειώνει ότι έχει γίνει κάποια προηγούμενη εργασία για τα «κβαντικά εφέ Mpemba» και η ομάδα Κιότο-Τόκιο το αναγνωρίζει αυτό. Ωστόσο, ο Bechhoefer προσθέτει ότι αυτές οι προηγούμενες μελέτες επικεντρώθηκαν σε διαφορετικούς τύπους χαλάρωσης έως ισορροπίας - για παράδειγμα στη μαγνήτιση. «Είναι πολύ ικανοποιητικό να βλέπουμε ότι το «αρχικό» φαινόμενο προβλέπεται επίσης σε αρκετά απλά κβαντικά συστήματα και ελπίζω ότι αυτό το έγγραφο εμπνέει πειραματικές αναζητήσεις σε κβαντικά συστήματα του πραγματικού κόσμου», λέει ο Bechhoefer. Κόσμος Φυσικής.

Οι Chatterjee, Hayakawa και Takada σχεδιάζουν τώρα να εξετάσουν πιθανές συνδέσεις μεταξύ των ευρημάτων τους και κβαντικά όρια ταχύτητας, που πηγάζουν από την αρχή της αβεβαιότητας και θέτουν περιορισμούς στο πόσο γρήγορα ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να αλλάξει από τη μια κατάσταση στην άλλη. Αν και κανείς δεν έχει ακόμη καθορίσει αυτή τη σύνδεση, τόσο τα κβαντικά όρια ταχύτητας όσο και οι ρυθμοί χαλάρωσης μπορεί να επηρεάσουν τη λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι πρέπει να φτάσουν γρήγορα σε κατάσταση χαλάρωσης για την έγκαιρη επεξεργασία πληροφοριών.

Τα αποτελέσματα αναφέρονται στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής