Quantum Mpemba-effekten tipsar om snabbare kvantdatorer – Physics World

Quantum Mpemba-effekten tipsar om snabbare kvantdatorer – Physics World

Tidsstämpel: 13 september, 2023 11:00

Tecknad serie som visar två katter som börjar vid lite olika höga temperaturer, och efter en viss tid (representerad av en klocka) är den initialt mer energiska katten mer avslappnad (ligger ner och slumrar), medan den initialt mindre energiska katten bara är något avslappnad (ligger ner)
Två svalkatter: Två system av kvantprickar kopplade till ett värmebad (här representeras av katter), en med en ström som flyter och den andra i ett jämviktstillstånd, upplever en "korsning" när kvantpunkten slappnar av mot ett stadigt stat. (Med tillstånd: KyotoU/Hisao Hayakawa)

När den tanzaniske skolpojken Erasto Mpemba frågade en gästföreläsare varför varmt vatten fryser snabbare än kallt, kunde han inte ha gissat att hans observation – som gjordes när han gjorde glass – skulle dra uppmärksamheten hos några av världens största fysiker. Fenomenet är nu känt som Mpemba-effekten, men varianter av den har förbryllat filosofer och fysiker sedan Aristoteles dagar, och den har därefter observerats i andra sammanhang, bl.a. magnetiska system som visar kolossal magnetresistans och kolloidala pärlor som faller genom en optisk pincett.

En trio av forskare i Japan har nu lagt till denna lista genom att demonstrera Mpemba-effekten teoretiskt i ett enkelt kvantsystem. Resultatet kan peka på sätt att göra kvantdatorer mer effektiva, även om det är en gruppmedlem Hisao Hayakawa varnar för att det är tidiga dagar. "Än så länge har vi inte så många experiment på kvant Mpemba-effekten", säger han Fysik värld.

Kvantdefinition

Naturen av Mpemba-effekten har diskuterats mycket, med frågor som inte bara har uppstått över dess mekanismer och dess nödvändiga initiala villkor, utan även dess definition. Ligger hastigheten upp i tiden det tar innan frysningen (eller någon annan fasändring) börjar? Behöver fasbytet vara komplett? Eller är den viktiga faktorn bara den tid det tar för systemet att sjunka under den temperatur vid vilken fasändringen förväntas?

I det senaste arbetet, Hayakawa och hans Kyoto University-kollega Amit Kumar Chatterjee, Tillsammans med Satoshi Takada från Tokyo University of Agriculture and Technology, definierade Mpemba-effekten i termer av en korsning av den kvantitet som de övervakade. I vatten skulle denna korsning inträffa när temperaturen på den varmare vätskan, som svalnar snabbare, "korsar" den för den kallare vätskan, vilket gör den tidigare varmare vätskan till den kallare.

För Chatterjee, Hayakawa och Takada ägde denna korsning rum i ett modellerat system bestående av en kvantpunkt kopplad till två reservoarer som fungerar som kylflänsar (en roll som frysen spelade i den ursprungliga glassbaserade Mpemba-effekten). Reservoarerna startar vid samma temperatur, med skillnaden i deras startförhållanden tillförd av den kemiska potentialen hos de två reservoarerna, som kan vara lika (indikerar jämvikt) eller inte. Trion karakteriserade sedan tillståndet för kvantpunkten, och observerade om den hade två elektroner med motsatta kvantspinn, en enstaka elektron med antingen ett upp- eller nerspinn, eller inga elektroner alls. Tillsammans definierade dessa möjliga tillstånd en parameter som de kunde spåra när systemet slappnar av eller uppnår jämvikt – motsvarande glasskylningen till temperaturen i frysen den befinner sig i.

När kvantpunkten slappnar av förklarar Hayakawa att dess dynamik – det vill säga hur dess tillstånd utvecklas – "minns det initiala tillståndet". Med andra ord, avslappningen är snabbare när reservoarerna initialt inte är i jämvikt, och den spårade parametern vid jämviktsstartförhållanden korsar den för dess icke-jämviktsmotsvarighet – Mpemba-effekten i aktion.

Metastabilitetens roll

En av de komplicerande faktorerna i den ursprungliga Mpemba-effekten är att vatten är ett komplext ämne som kan existera i metastabila tillstånd. Tänk på att dessa tillstånd är som en stol i ett rum som är upptaget av en utmattad person. När den utmattade personen ser stolen kommer sannolikt att floppa in i den och först senare lägga sig på golvet för att helt slappna av. Om stolen inte fanns där skulle den utmattade personen troligen lägga sig ner direkt och nå ett helt avslappnat tillstånd mycket snabbare.

Mycket tonvikt har lagts på dessa metastabila tillstånd, och många studier har kommit fram till att det är denna långsammaste avslappningsväg som driver Mpemba-effekten. Kvantpunktssystemet har dock inga metastabila tillstånd. Dessutom antydde teamets analys att det var den kombinerade rollen för de snabbare avslappningsvägarna som avgjorde effekten – en stor överraskning.

Chatterjee berättar Fysikvärlden att även om metastabilitet kan vara "tillräcklig i vissa system", avslöjar deras förenklade kvantpricksystem "en annan typ av tillräckliga förhållanden". Han menar att studier hittills inte har fastställt villkor eller krav som är universellt tillämpliga, även om det kan komma. "Jag tror att hela samhället försöker hitta olika mekanismer för att se kvant-Mpemba-effekten", säger han.

Saker och ting blir coola

Ivriga att se om de kunde demonstrera Mpemba-effekten på ett sätt som mer liknar originalet, definierade forskarna sedan en temperatur för deras system. Eftersom detta kvantsystem saknar de biljoner molekyler med statistiskt meningsfulla ensembleegenskaper som ger upphov till temperatur i den klassiska världen, noterar Hayakawa att "definitionen av temperatur är mycket subtil". Faktum är att det finns flera sätt att översätta kvanttillstånd till temperatur, som var och en producerar parametrar med sitt eget nyanserade beteende.

I det här fallet valde forskarna att använda en temperatur som definieras av förhållandet mellan förändringar - den partiella derivatan - i energi och en kvantitet som kallas von Neumann-entropi. Entropi är en annan hala kvantitet för kvantsystem, men von Neumann-entropin är ganska konventionellt relaterad till kvantpunktens möjliga tillstånd. Med hjälp av denna definition kunde teamet också demonstrera Mpemba-effekten.

John Bechhoefer, en fysiker vid Simon Fraser University i Kanada som ledde ett experiment demonstrerar Mpemba-effekten i en kolloid med en optisk pincett 2020, noterar att det har gjorts en del tidigare arbete med "quantum Mpemba-effekter", och Kyoto-Tokyo-teamet erkänner detta. Bechhoefer tillägger dock att dessa tidigare studier fokuserade på olika typer av avslappning till jämvikt – till exempel vid magnetisering. "Det är mycket tillfredsställande att se att den "ursprungliga" effekten också förutsägs i ganska enkla kvantsystem, och jag hoppas att denna artikel inspirerar till experimentella sökningar i verkliga kvantsystem, säger Bechhoefer. Fysik värld.

Chatterjee, Hayakawa och Takada planerar nu att titta på möjliga samband mellan deras fynd och kvanthastighetsgränser, som härrör från osäkerhetsprincipen och sätter begränsningar för hur snabbt ett kvantsystem kan förändras från ett tillstånd till ett annat. Även om ingen ännu har fastställt denna koppling, kan både kvanthastighetsgränser och avslappningshastigheter påverka driften av kvantdatorer, som måste nå sina avslappnade tillstånd snabbt för att kunna bearbeta information i tid.

Resultaten redovisas i Fysiska granskningsbrev.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden