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Un team della Southeast University dimostra l’effetto Mpemba quantistico in un qubit
Un team della Southeast University ha usato un esperimento ottico controllabile per simulare una mappa di rilassamento termico quantistico e dimostrare un effetto Mpemba forte in un singolo qubit. Il metodo elimina la coerenza dallo stato i
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un solo qubit basta a dimostrare una versione quantistica dell’effetto Mpemba forte, secondo un nuovo esperimento pubblicato su Physical Review Letters il 22 ottobre. I ricercatori Xiang Zhan, Huixia Gao, Lei Xiao e Peng Xue della Southeast University hanno usato un apparato ottico controllabile per simulare un processo di rilassamento termico quantistico, poi hanno preparato uno stato iniziale da cui era possibile eliminare la coerenza per accelerarne l’avvicinamento all’equilibrio.
Il risultato dipende da una caratteristica controintuitiva del modello: i suoi modi che decadono più lentamente sono degeneri e puramente coerenti. Eliminare la coerenza dallo stato iniziale può quindi sopprimere questi modi lenti, permettendo alle dinamiche rimanenti di rilassarsi più rapidamente. Il team ha verificato che il processo simulato rispettasse la proprietà di semigruppo, una condizione di coerenza dell’evoluzione.
Una via più rapida per evitare i modi lenti
Nell’effetto Mpemba ordinario, un sistema che parte più lontano dall’equilibrio può raggiungerlo prima di uno che parte più vicino. La versione forte riguarda il decadimento a tempi lunghi: uno stato preparato appositamente evita il modo più lento, così il suo successivo rilassamento è governato da modi più rapidi.
Questa condizione è spesso associata a un unico modo che decade più lentamente degli altri. Il team della Southeast University studia la mappa di Davies, in cui i modi più lenti sono degeneri e puramente coerenti. La via proposta dagli autori consiste nell’eliminare la coerenza nello stato iniziale, anziché fare affidamento sul consueto requisito di un unico modo più lento.
«Dimostriamo inoltre un autentico effetto Mpemba quantistico forte nel sistema quantistico minimo, un singolo qubit», scrivono gli autori nell’abstract dell’articolo. L’esperimento sostiene la loro tesi secondo cui la coerenza svolge un ruolo determinante in questa forma di rilassamento termico anomalo.
Cosa dimostra l’esperimento ottico
L’esperimento simula la mappa di Davies con un apparato ottico completamente controllabile; non descrive un qubit che si raffredda naturalmente in un ambiente non controllato. I ricercatori affermano di aver confermato la validità della mappa verificando la proprietà di semigruppo, che accerta se le fasi successive dell’evoluzione simulata si compongano in modo coerente con la stessa dinamica.
La distinzione è importante per interpretare il risultato. L’articolo dimostra un modello di dinamica quantistica progettato e verificato in un sistema a un qubit, non un metodo generale per accelerare la termalizzazione dei processori quantistici operativi. Il suo contributo immediato è una prova sperimentale di un meccanismo specifico che collega la coerenza alla velocità di rilassamento.
Un nuovo meccanismo, non la prima osservazione dell’effetto Mpemba quantistico
Il risultato aggiunge un approccio diverso ai precedenti lavori sperimentali. Uno studio del 2025 pubblicato su Nature Communications ha riportato un effetto Mpemba quantistico forte in un singolo ione intrappolato, preparando uno stato senza sovrapposizione con il modo che decade più lentamente. Il nuovo esperimento si concentra invece sui modi lenti, coerenti e degeneri della mappa di Davies e sulla loro soppressione mediante l’eliminazione della coerenza.
Gli autori descrivono il loro apparato ottico come una piattaforma per studiare la termodinamica quantistica e altre dinamiche dei sistemi aperti. La dimostrazione con un singolo qubit non stabilisce se la stessa strategia basata sulla coerenza possa essere applicata a sistemi più complessi. Per ora, il risultato misurato è una via di rilassamento più rapida in una simulazione ottica della mappa di Davies, dimostrata con un qubit.
Xiang Zhan, Huixia Gao, Lei Xiao e Peng Xue, Southeast University