آزمایش نوری اثر قوی Mpemba را در یک کیوبیت نشان می دهد

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

به طور معمول، پس از مختل شدن یک سیستم فیزیکی، می تواند به تدریج با تبادل گرما با محیط اطراف خود به حالت تعادل حرارتی برگردد. تعادل حرارتی حالتی است که در آن هیچ انتقال خالص گرما بین سیستم و محیط اطراف آن وجود ندارد.

ممکن است فرض شود که هر چه یک سیستم مختل از تعادل دورتر باشد، مدت بیشتری طول می کشد تا ثابت شود. با این حال، در برخی شرایط، برعکس اتفاق می‌افتد و سیستم‌هایی که دورتر از تعادل شروع می‌شوند، سریع‌تر از آن‌هایی که نزدیک‌تر شروع می‌شوند به آن نزدیک می‌شوند. این پدیده ضد شهودی به عنوان اثر Mpemba شناخته می شود.

در برخی موارد، اثر Mpemba به این دلیل اتفاق می‌افتد که اجزای مختلف اختلال اولیه یک سیستم با سرعت‌های متفاوتی محو می‌شوند و اگر حالت شروع یک سیستم حاوی اجزای با کندی فروپاشی نباشد، می‌تواند سریع‌تر به تعادل نزدیک شود. این ایده اصلی پشت به اصطلاح اثر قوی Mpemba است.

محققان دانشگاه جنوب شرقی اخیرا یک آزمایش نوری انجام دادند که این اثر را در یک کیوبیت نشان داد، واحدی از اطلاعات کوانتومی که می تواند در برهم نهی دو حالت باشد. مشاهدات آنها، که در مقاله منتشر شده در Physical Review Letters مشخص شده است، بینش جدیدی در مورد اینکه چگونه اثر قوی Mpemba می تواند سفر سیستم را به سمت تعادل شکل دهد، ارائه می دهد.

پنگ ژو، نویسنده ارشد این مقاله، به Phys.org گفت: «در میان مکانیسم‌های مختلفی که برای اثر Mpemba پیشنهاد شده است، اثر Mpemba «قوی» از نظر مفهومی شفاف‌ترین را ارائه می‌دهد: آرامش زمانی که حالت اولیه با کندترین حالت فروپاشی همپوشانی نداشته باشد، به طور تصاعدی تسریع می‌شود. "با این حال، یک مشکل آشکار بلافاصله ایجاد می شود. معمولا اعتقاد بر این است که این مکانیسم نیازمند یک حالت منحصر به فرد کندترین فروپاشی است."

یک مدل نظری که توسط محققان کالج ترینیتی دوبلین و دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان مونیخ در سال 2024 معرفی شد، نشان می‌دهد که در دینامیک توصیف شده توسط نقشه دیویس، چندین حالت می‌توانند پایین‌ترین نرخ واپاشی را به اشتراک بگذارند و همه این حالت‌ها شامل از دست دادن انسجام کوانتومی هستند.

نقشه دیویس یک قانون ریاضی است که توضیح می دهد چگونه یک سیستم کوانتومی در طول زمان در هنگام تعامل ضعیف با محیط خود در دمای ثابت تغییر می کند.

به عبارت فنی تر، این نظریه پیشنهاد می کند که برای نقشه موسوم به دیویس، کندترین حالت های انحطاط کاملا منسجم هستند. این بدان معناست که اگر یک کیوبیت بدون انسجام بین سطوح انرژی خود شروع شود، می‌تواند از این فرآیندهای کند عبور کند.

شوئه می‌گوید: «بر اساس این نظریه، حذف انسجام از حالت اولیه می‌تواند اثر را بازیابی کند. با الهام از این، هدف ما این بود که مکانیسم را به صورت تجربی در سیستم کوانتومی حداقل - یک کیوبیت - نشان دهیم و نقش دقیق همدوسی کوانتومی را شناسایی کنیم.

در آزمایش خود، ژو و همکارانشان یک کیوبیت را شبیه سازی کردند که با استفاده از یک فوتون منفرد (یعنی ذره ای از نور) به حالت تعادل حرارتی نزدیک می شد. آنها کیوبیت را در قطبش فوتون رمزگذاری کردند، تغییراتی در نحوه نوسان میدان نور آن، در حالی که مسیرهای مختلفی که فوتون می‌توانست طی کند، به عنوان دایره عمل می‌کردند. در این زمینه، آنسیل ها اجزای اضافی هستند که برای شبیه سازی تعاملات کیوبیت با محیط آن استفاده می شوند.

Xue توضیح داد: "نقشه Davies به یک گام صرفا اتلاف پذیر به اضافه یک چرخش ساده که از اپتیک خطی استاندارد ساخته شده بود، تجزیه شد." دما و زمان تکامل مستقیما در زوایای صفحه موج کدگذاری می‌شوند، بنابراین اسکن آرامش فقط به صفحات موج چرخشی نیاز دارد، بدون پیکربندی مجدد مدار.

تیم کیوبیت خود را در دو حالت شروع مجزا آماده کرد. در یکی از این حالت‌ها، یک حالت ویژه انرژی، کیوبیت انرژی مشخصی داشت و هیچ انسجام کوانتومی بین سطوح انرژی خود نداشت، که به آن اجازه می‌داد آهسته‌ترین مراحل بازگشت به تعادل گرمایی را دور بزند.

در حالت دیگر، کیوبیت در برهم نهی دو حالت مختلف انرژی قرار داشت و آرام شدن خود را با انسجام آغاز کرد. در نتیجه، روندهای آهسته همچنان بر سفر آن به سمت تعادل تأثیر می گذاشت.

شوئه می‌گوید: ما تکامل این حالت‌ها را با استفاده از تکنیکی به نام توموگرافی حالت کوانتومی اندازه‌گیری کردیم و انرژی‌های آزاد غیرتعادلی آنها را ردیابی کردیم. "در نهایت، ما تأیید کردیم که شبیه ساز به طور صادقانه نقشه Davies را از طریق ویژگی semigroup پیاده سازی می کند."

محققان دریافتند که کیوبیتی که در حالت ویژه انرژی شروع می‌شود، سریع‌تر از حالتی که در برهم‌نهی دو حالت شروع می‌شود، به تعادل حرارتی نزدیک می‌شود، حتی اگر حالت ویژه انرژی در ابتدا انرژی آزاد غیرتعادلی بالاتری داشت و بنابراین از تعادل دورتر بود. این یافته نشان می دهد که آنها با موفقیت اثر Mpemba قوی کوانتومی را در یک سیستم یک کیوبیتی مشاهده کردند.

شوئه می‌گوید: «انرژی‌های آزاد غیرتعادلی دو حالت اولیه به وضوح ترتیب آنها را معکوس می‌کنند: حالتی که دورتر از تعادل شروع می‌شود سریع‌تر آرام می‌شود. ما همچنین به یک طراحی نوری زیبا دست یافتیم که در آن زمان تکامل از نظر فیزیکی وجود ندارد. در عوض، به طور کامل در زوایای تنظیم عناصر نوری کدگذاری شده است.

به عنوان بخشی از آزمایشات خود، محققان همچنین ارزیابی کردند که چگونه تنظیم نوری آنها دینامیک سیستم مورد انتظار را بازتولید می کند. برای انجام این کار، آنها آزمایش کردند که آیا استفاده از یک تکامل شبیه‌سازی شده دو بار متوالی نتیجه مشابهی را با اعمال یک بار آن برای دو برابر مدت زمان شبیه‌سازی شده به همراه دارد یا خیر.

Xue می‌گوید: «اگرچه هیچ زمان واقعی در راه‌اندازی وجود ندارد، اما بررسی اینکه دوبار اعمال کانال «time-t» کانال «time-2t» را بازتولید می‌کند، گواهی می‌دهد که دینامیک شبیه‌سازی‌شده به درستی نقشه Davies را درک می‌کند. "علاوه بر این، ما دو نقش انسجام را در اینجا نشان دادیم. حذف انسجام آرامش را تسریع می کند، در حالی که انسجام همچنین انرژی آزاد غیر تعادلی را فراتر از جمعیت های کلاسیک حمل می کند."

این مطالعه اخیر می تواند به درک اثر قوی Mpemba کمک کند. در آینده، به طور بالقوه می‌تواند به توسعه ماشین‌های حرارتی کوانتومی جدید که از اثر Mpemba، تکنیک‌های خنک‌کننده سریع‌تر، روش‌های پیشرفته برای آماده‌سازی حالت‌های کوانتومی یا پلت‌فرم‌های فوتونی قابل کنترل برای مطالعه ترمودینامیک کوانتومی سیستم باز استفاده می‌کنند، اطلاع دهد.

شوئه افزود: «اکنون قصد داریم این مطالعه را از یک کیوبیت به سیستم‌های با ابعاد بالا (مانند حالت‌های شبکه و پیاده‌روی‌های کوانتومی) و سیستم‌های باز چند بدنه در حال تعامل و بررسی حالت‌های اولیه مختلط گسترش دهیم. ما همچنین از طرح مدولار خود استفاده خواهیم کرد، که می تواند کانال های کوانتومی دلخواه را با حفظ ردیابی در اپتیک خطی، برای مطالعه ترمودینامیک کوانتومی و ماشین های حرارتی کوانتومی به کمک Mpemba استفاده کند.

توسط نویسنده ما Ingrid Fadelli، ویرایش شده توسط Sadie Harley، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط رابرت ایگان برای شما نوشته شده است - این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

Xiang Zhan و همکاران، اثر Mpemba قوی کوانتومی واقعی با حذف انسجام، Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/z9t9-mwgv.

روزنامه نگار آزاد با لیسانس روانشناسی و کارشناسی ارشد روزنامه نگاری بین المللی. از سال 2018 هوش مصنوعی، رباتیک، علوم اعصاب و اخترفیزیک را پوشش می دهد. نمایه کامل →

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →