东南大学薛鹏教授团队实验观测到真量子强姆潘巴效应

近日，东南大学薛鹏教授课题组在量子热动力学实验研究中取得重要进展，在最小量子系统——单个量子比特中观测到真量子强姆潘巴效应，并揭示了量子相干性在这一反常热化弛豫中的关键作用。该项成果以“通过消除相干性实现真量子强姆潘巴效应”（Genuine Quantum Strong Mpemba Effect by Eliminating Coherence）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

热化过程中，在某些条件下，初始离平衡态更远的系统反而比初始更近的系统更快地达到平衡，这一反直觉现象被称为姆潘巴效应，其渊源可追溯至两千多年前亚里士多德关于"热水先结冰"的观察。强姆潘巴效应为理解这一现象提供了概念上最为透明的机制：当初始态与演化动力学中最慢的衰减模零交叠时，系统向平衡态的弛豫可获得指数级加速。然而，强姆潘巴效应的实现通常要求最慢衰减模唯一；而在量子系统中，最慢衰减模往往存在简并，这构成了在量子区域实现强姆潘巴效应的一个根本性挑战。

针对上述挑战，本工作设计并构建了完全可控的线性光学量子模拟平台，成功实现了Davies映射所支配的热化动力学。量子比特编码于单光子的偏振，辅助比特编码于光子的路径模式，逆温度与演化时间等关键参数直接编码于波片的设置角度，避免了传统量子模拟中每个时间节点都需重新计算演化并重构光路的困难。通过显式验证动力学的半群性质以及幺正与耗散部分的对易结构，实验确认所实现的演化构成真正的量子马尔可夫半群，成功模拟了Davies映射。

图1：Davies映射的分解及光量子模拟实验方案

基于该平台，研究团队首先通过量子态层析与量子过程层析验证了模拟的热化动力学：对任意初始态，系统与热平衡态的距离均随时间单调衰减并趋于零，且所实现动力学满足半群结构。在此基础上，研究团队利用Davies映射的独特性质——其简并的最慢衰减模在能量表象中为纯相干模——通过消除初始态中的相干性，使初始态与最慢衰减模的交叠为零，从而在最小量子系统——单个量子比特中实验观测到真正的量子强姆潘巴效应：初始非平衡自由能更高的态在演化过程中反而更快地趋近热平衡，两者自由能的大小关系发生反转。进一步分析表明，所观测到的姆潘巴效应无法由经典布居数单独解释，量子相干性在其中扮演了双重角色：消除相干性可诱导更快的弛豫，而相干性同时也是超出经典布居数的非平衡自由能的来源。

图2：热化动力学的实验结果

图3：真量子强姆潘巴效应的实验观测

本工作首次在实验上于最小量子系统中实现了真量子强姆潘巴效应，并从消除相干性诱导加速弛豫、相干性承载非平衡自由能两个方面，确认了量子相干性是这一反常热化弛豫的关键资源。实验所发展的模块化分解方案可实现线性光学平台上的任意保迹量子信道，为探索量子热力学及更广泛的开放系统动力学（如姆潘巴效应辅助的量子热机等应用）提供了一个多功能的量子光学平台。

该论文的全部作者均来自东南大学物理学院。论文作者为薛鹏教授课题组詹翔、高慧霞、肖磊和薛鹏。詹翔教授为论文第一作者，薛鹏教授为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：DOI: https://doi.org/10.1103/z9t9-mwgv

供稿：詹翔

审核：苗霖