Em um novo estudo da Nature Communications , cientistas demonstraram a versão quântica do forte efeito Mpemba (sME) em um único sistema de íons aprisionados.

O efeito Mpemba é um fenômeno contraintuitivo no qual — sob certas condições — a água mais quente esfria mais rápido que a água mais fria.

Foi descrito pela primeira vez pelo estudante tanzaniano do ensino médio Erasto Bartholomeo Mpemba em 1963. No entanto, de acordo com a literatura científica inicial, foi observado muito antes, desde os tempos aristotélicos.

Embora o efeito clássico ainda não tenha sido completamente compreendido, pesquisadores agora demonstraram que podem criar e controlar uma versão quântica que funciona fundamentalmente diferente.

O Phys.org conversou com alguns membros por trás da pesquisa, incluindo os professores associados Yan-Li Zhou e Jie Zhang, os professores Hui Jing e Ping-Xing Chen da Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa da China e o professor associado Weibin Li da Universidade de Nottingham.

Os pesquisadores compartilharam sua motivação por trás da colaboração: "Um tema comum compartilhado por todos nós é o controle quântico".

"Alguns anos atrás, estávamos envolvidos em pesquisas relacionadas à aceleração de relaxamento e notamos o trabalho teórico de Carollo et al. sobre o efeito Mpemba quântico, que nos inspirou a investigar os efeitos de aceleração do efeito Mpemba forte a partir de uma perspectiva conjunta experimental e teórica."

Relaxamento descreve o processo de um sistema retornando ao seu equilíbrio ou estado estável. Durante isso, um sistema pode escolher qualquer caminho para atingir o equilíbrio, com o caminho que leva mais tempo sendo o modo de decaimento mais lento (SDM).

No efeito Mpemba clássico, um sistema mais quente naturalmente tem menos sobreposição com o SDM, permitindo que ele atinja o equilíbrio mais rápido do que um sistema mais frio.

Embora isso aconteça naturalmente com diferenças de temperatura em sistemas clássicos, o efeito Mpemba quântico funciona de forma diferente: ele se concentra na dinâmica de relaxamento por meio de estados quânticos e sua evolução em direção ao equilíbrio.

No sME quântico, um relaxamento exponencialmente rápido pode ser alcançado preparando um estado quântico especial que evita completamente o SDM, como demonstrado teoricamente por Carollo e colegas.

No entanto, o estudo deles demonstrou que isso era teoricamente possível em sistemas quânticos , mas até agora ninguém havia demonstrado que isso funcionava na prática.

A equipe explicou: "Os princípios subjacentes que permitem que o forte efeito Mpemba seja observado em um sistema quântico são a criação de um estado inicial ideal para proibir a excitação do modo de decaimento mais lento do sistema."

"Esse estado inicial ótimo pode ser um estado de superposição quântica, representando uma diferença fundamental do efeito Mpemba clássico e, portanto, o comportamento dinâmico resultante não pode ser capturado por abordagens semiclássicas."

A preparação desse estado inicial ótimo, no entanto, nem sempre levará à aceleração exponencial. A equipe identificou um ponto crítico no sistema quando essa aceleração exponencial é possível — ponto excepcional de Liouvillian (LEP).

"LEP é o limite entre o efeito Mpemba forte e o efeito Mpemba fraco quântico, o que significa que construímos uma ligação entre o efeito Mpemba e o LEP", explicou a equipe.

No LEP, as taxas de decaimento (autovalores) e os caminhos (automodos) dos sistemas "coalescem" em uma única nova taxa e seu caminho associado.

Antes do LEP, o sistema pode atingir aceleração exponencial porque o estado ótimo pode ser preparado para evitar o caminho de decaimento lento. No entanto, no LEP e depois dele, a aceleração exponencial é impossível, pois todos os caminhos se fundem, marcando um limite entre o efeito Mpemba fraco e forte.

A equipe foi a primeira a demonstrar experimentalmente a coalescência de autovalores e automodos, e o fez usando um único sistema de íons aprisionados.

A configuração experimental da equipe consistia em um único íon de cálcio ( 40 Ca + ) aprisionado, com foco em três níveis de energia, estado fundamental |0 e dois estados excitados |1 e |2.

Um laser de 729 nanômetros (nm) garante decaimento coerente entre estados de energia usando dois componentes de frequência com frequências Rabi precisamente controladas. As operações do laser e do portão quântico ajudaram a preparar o estado inicial do sistema.

Um laser adicional de 854 nm criou um canal de decaimento ajustável, permitindo que os pesquisadores projetassem dinâmicas de relaxamento específicas. Um feixe de bombeamento óptico de 397 nm também foi introduzido para evitar vazamento populacional indesejado entre estados quânticos.

O sistema foi então autorizado a evoluir neste ambiente controlado, com pesquisadores usando tomografia de estado quântico para medir o estado quântico do sistema e rastrear com precisão a dinâmica de relaxamento.

A abordagem experimental não representa apenas a primeira realização e observação do sME quântico, mas também a observação da coalescência de autovalores e automodos no LEP.

"Demonstramos, pela primeira vez, a coalescência do LEP claramente no experimento, tanto da perspectiva de autovalores quanto de automodos. Assim, nosso trabalho constrói uma nova ponte entre dois campos ativos como o efeito Mpemba e a física não-Hermitiana, por meio da qual uma física mais emocionante pode ser descoberta em um futuro próximo", disseram os pesquisadores.

O estudo do efeito Mpemba atraiu interesse além da física fundamental. A dissipação de energia, que neste caso é o processo de relaxamento, é central para todos os processos.

Otimizar ou projetar esse processo é essencial para muitos campos, incluindo tecnologias quânticas. Os pesquisadores explicaram: "Se a dissipação do sistema quântico for projetada para preparar um estado estável específico, então pode-se usar esse efeito para acelerar o relaxamento."

"No contexto da computação quântica, espera-se que nossas descobertas melhorem a eficiência da preparação do estado quântico e aumentem a largura de banda instantânea dos sensores quânticos."