冷的比热的升温更快？

很早以来，人们就发现了一种令人费解的现象：热水有的时候比冷水结冰还要快。到了20世纪60年代，一位名叫埃拉斯托·姆潘巴（Erasto Mpemba）的坦桑尼亚中学生在制作冰淇淋时也注意到了这种效应，并通过一系列实验中证实了这一点。这种效应也因此以他的名字命名，被称为姆潘巴效应（Mpemba effect）。

更有意思的是，姆潘巴效应不仅出现在水中。后来，理论和实验研究揭示了一系列表现出姆潘巴效应的系统，比如磁系统、颗粒系统和量子系统等。

类姆潘巴效应的量子版本可以理解成，如果一个系统最初距离平衡态更远，它会更快回归平衡态。对于开发低温量子比特的科学家来说，量子姆潘巴效应格外有趣。这些量子比特必须在极低的温度下运行才能降低噪声，而噪声则会在一个称为退相干的过程中破坏量子计算。

近日，在一项新研究中，研究人员在量子比特中观测到了逆向姆潘巴效应。他们发现，在某些条件下，温度更低的陷俘离子量子比特可能比温度更高的陷俘离子量子比特升温更快。这一观测结果可能会对量子计算产生重要影响，因为许多主要的量子比特类型都必须保持在低温状态。研究已于近日发表在《物理评论快报》上。

姆潘巴效应

过去60年间，尽管物理学家投入了极大努力，物理学家对姆潘巴效应的理解仍然很有限。无论是实验观测还是理论解释，物理学家对此争论不休。他们认为，它十分复杂，涉及的机制和所需的初始条件并不明确，甚至缺乏一种精确的定义。

为了研究姆潘巴效应和其他弛豫过程，物理学家会为相关系统定义一个参数，比如温度，并将它记录为系统与外部环境相互作用持续时间的函数。这种系统走向最终稳态的路径被称为弛豫路径。这种关系量化了系统从初始状态进入稳态的速度，决定了两条弛豫路径中是不是起始点距离平衡状态更远的那条曲线速度更快。

在特定条件下，热水（红色曲线）与外部环境相互作用时，会比冷水（蓝色曲线）更快结冰。这是一种经典姆潘巴效应。（图/APS/Carin Cain）

直到几年前，研究人员发现，如果胶体系统的起始温度比较高，它的冷却速度会呈指数级增长。这些研究让科学家逐渐确定，姆潘巴效应可以被归纳为一类典型的反常弛豫现象。

对经典姆潘巴效应的研究中，一个让问题变得复杂的因素是，水是种复杂物质，它可以处于亚稳态。一种形象的比喻是，假设一个疲惫不堪的人来到了房间里，看到那里有一把椅子，他很可能会扑倒在椅子上，接着再完全放松地躺在地板上。这里的“椅子”就好比是亚稳态。但如果房间里没有椅子，这个精疲力竭的人可能就会直接躺下，“一步到位”，更快地达到完全放松的状态。先前许多研究都放在了亚稳态上，认为正是这种最慢的弛豫路径驱动了姆潘巴效应。

然而，微观世界中类似过程的探索似乎带来了不同的观察。2023年，一组日本研究团队在一个简化的量子点系统中观察到了量子姆潘巴效应。重要的是，这个系统并不存在亚稳态。这不仅帮助人们进一步理解了姆潘巴效应，也可能对量子计算产生了影响。

逆向姆潘巴效应

在这项新研究中，团队使用了陷俘离子平台，这种平台可以将单个离子悬浮在超高真空室中降低干扰，为观测基本过程创造了条件，也为研究类姆潘巴的量子效应提供了理想的试验场地。

团队研究了一个开放量子系统中的逆向类姆潘巴效应，这个系统包含一个单个的冷陷俘离子，它与温暖的外部环境相互作用。

他们对单个陷俘锶-88离子进行了实验。离子的低温自旋与外部热浴环境耦合。为了模拟热浴，团队使用激光脉冲诱导量子比特态与更高能态之间的转变。最终，激光的热光子间的相互作用导致了量子比特的退相干。他们观察到了一种类似逆向姆潘巴效应的效果，也就是说，当离子的自旋始于较低温度时，它与环境达到热平衡的速度更快。

与经典系统不同，量子系统中弛豫速率不会随温度线性变化。在某些初始条件下，较冷的量子比特可能具有一条弛豫路径，它能比较热的量子比特更有效地绕过某些能量屏障。这种捷径使它能更快地达到温度较高的平衡态。

研究人员用校车司机等学生下车的比喻来解释这样的观察结果。等最后一个孩子下车之后，司机才能收工，这个过程的速度会受到动作最慢的学生的速度限制。而观察到的那些特定条件，就好比某一天动作最慢的那个孩子没有来上学。这种转变就会快得多了。

这项新研究观测到的机制与先前日本团队实验中看到的机制很相似。它们可能会为量子计算系统更精细的控制机制提供更多启示。比如，尽可能地冷却系统也许不是最好的选择。就像研究中看到的情况那样，有些情况下反而可能升温很快。

#创作团队：

撰文：Takeko

排版：雯雯

#参考来源：

https://physicsworld.com/a/inverse-mpemba-effect-seen-in-a-trapped-ion-qubit/

https://physics.aps.org/articles/v17/105

https://physicsworld.com/a/quantum-mpemba-effect-hints-at-faster-quantum-computers/

#图片来源：

封面图&首图：Ben-McCarty, deviantart.com