量子姆彭巴效应暗示更快的量子计算机


当坦桑尼亚小学生埃拉斯特-姆彭巴(Erasto Mpemba)问一位客座讲师:为什么热水比冷水结冰更快时,他怎么也想不到,他在制作冰淇淋时观察到的现象会引起世界上一些最伟大的物理学家的注意。

这种现象现在被称为姆彭巴效应,但自亚里士多德时代起,它的变体就一直困惑着哲学家和物理学家,后来人们又在其他场合观察到这种现象,包括显示巨大磁阻的磁性系统和通过光镊路径下落的胶体珠。

姆彭巴效应的性质一直备受争议,人们不仅对其机制和所需的初始条件,甚至对其定义都提出了疑问。

现在,日本的三位研究人员又在一个简单的量子系统中从理论上证明了姆彭巴效应。这一研究成果可能有助于提高量子计算机的效率。

定义姆彭巴效应:在水中,当冷却速度较快的较热液体的温度与较冷液体的温度 "交叉 crossing "时,使原来较热的液体变成较冷的液体。

两个量子点系统连接到一个热浴盆,其中一个有电流流动,另一个处于平衡状态,当量子点relaxes到稳定状态时,就会出现 "交叉"。

随着量子点的relaxes,其动力学(即其状态如何演变)会 "记住初始状态"。换句话说,当储层最初不处于平衡状态时,relaxes的速度会更快,平衡起始条件下的跟踪参数会超过非平衡条件下的跟踪参数:这就是正在发挥作用的姆彭巴效应。

亚稳态的作用
最初的姆彭巴效应的一个复杂因素是,水是一种复杂的物质,可以存在于可转移的状态中:

把这些状态想象成疲惫不堪的人在房间里坐的椅子。看到椅子后,精疲力竭的人很可能会扑倒在椅子上,然后躺在地板上完全放松。然而,如果椅子不在那里,精疲力竭的人可能会直接躺下,更快地达到完全放松的状态。

许多研究都认为,正是这种最慢的relaxes路径驱动了姆奔巴效应。

然而,量子点系统并不存在可变态。更重要的是,研究小组的分析表明,是较快relaxes途径的综合作用决定了这种效应:这真是一个巨大的惊喜。

量子速度限制源于不确定性原理,并对量子系统从一种状态转变为另一种状态的速度施加了限制。
但是,现在发现:量子速度限制和relaxes率都可能影响量子计算机的运行,量子计算机需要快速达到relaxes状态才能及时处理信息。