Физики увидели квантовый эффект Мпембы

Физики увидели квантовый эффект Мпембы, при котором симметрия в квантовой системе восстанавливается быстрее, если она находится дальше от симметричного состояния. Для этого физики исследовали одномерную систему из 12 ионов, захваченных в квантовом симуляторе. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Когда система выводится из равновесия, в ней могут возникать явления, которые не укладываются в общепринятые представления. Один из известных примеров такого — эффект Мпембы, при котором горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Этот эффект назван в честь танганьикского школьника Эрасто Мпембы, который обнаружил, что стаканчики с горячей смесью мороженого замерзали в холодильнике быстрее, чем стаканчики с холодной смесью. Явление оказалось довольно сложным для изучения и на сегодняшний день пока нет однозначного научного консенсуса на его счет, хотя некоторые научные группы привели теоретические обоснования его существования.

Этот эффект можно расширить, в том числе, и на квантовые системы. Если в квантовой системе нарушить симметрию, то ее восстановление может происходить тем быстрее, чем сильнее она была нарушена. Это явление, получившее название квантового эффекта Мпембы, обусловлено квантовой запутанностью и флуктуациями. Ученые активно исследуют это явление, хотя его существование во многих типах квантовых систем до сих пор не наблюдалось.

Группа физиков под руководством Маноджа Джоши (Manoj K. Joshi) из Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук провела эксперимент и обнаружила квантовый эффект Мпембы в системе из многих тел. Для этого ученые исследовали поведение спинов в цепочке из 12 ионов кальция в квантовом симуляторе.

Цепочка ионов кальция содержалась в ловушке Паули и охлаждалась лазером до основного состояния. При этом в исходном состоянии спины атомов оказывались сонаправлены из-за воздействия лазерного луча. Затем ученые наклоняли спин атомов в цепочке на одинаковый угол при помощи второго лазера, применяли серию рандомизированных локальных вращений и наблюдали за релаксацией системы. Такая схема эксперимента моделирует ферромагнетик с наклоненными спинами.

Физики отслеживали состояние системы, проводя рандомизированные измерения асимметрии запутанности и расстояния Фробениуса между текущим состоянием системы и теоретически рассчитанным термосимметричным состоянием, и оценивали результаты измерений при помощи техники классических теней.

В результате ученые установили что при отклонении на больший угол — более сильное отклонение от симметричного состояния — система возвращалась к симметричному состоянию быстрее. По словам физиков это и есть квантовый эффект Мпембы.

Несмотря на сложность эффекта Мпембы ученые продолжают его исследовать в различных системах. Более того, при некоторых условиях физики даже обнаруживают усиленную версию этого эффекта.