Квантовий симулятор допоміг підтвердити ефект Мпемби в квантових системах

Група фізиків з Інституту квантової оптики і квантової інформації Австрійської академії наук під керівництвом Маноджа Джоші (Manoj K. Joshi) виявила квантовий ефект Мпемби, коли симетрія у квантовій системі відновлюється швидше, якщо вона перебуває далі від симетричного стану. Результати експериментів опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Ефект Мпемби спостерігається, коли гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей ефект, названий на честь танганьїкського школяра Ерасто Мпемби, виявляється складним для вивчення. Хоча теоретичні обґрунтування його існування існують, однозначного наукового консенсусу щодо нього поки що немає.

Вчені розширили цей ефект на квантові системи. У квантових системах, якщо порушити симетрію, її відновлення може відбуватися швидше за умови сильнішого порушення. Це явище, назване квантовим ефектом Мпемби, зумовлене квантовою заплутаністю та флуктуаціями.

Для виявлення квантового ефекту Мпемби фізики досліджували одновимірну систему з 12 іонів кальцію, захоплених у квантовому симуляторі. Ланцюжок іонів кальцію містився в пастці Паулі й охолоджувався лазером до основного стану. У вихідному стані спіни атомів були співспрямовані через вплив лазерного променя. Потім вчені нахиляли спіни атомів на однаковий кут за допомогою другого лазера, застосовували серію рандомізованих локальних обертань і спостерігали за релаксацією системи. Така схема експерименту моделює феромагнетик із нахиленими спінами.

Фізики використовували техніку класичних тіней для оцінки асиметрії заплутаності та відстані Фробеніуса між поточним станом системи і теоретично розрахованим термосиметричним станом. Результати показали, що при сильнішому відхиленні від симетричного стану система поверталася до симетричного стану швидше.