多量子比特系统中真正的量子 Mpemba 效应在不同的时间尺度上表现出来。信用：物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.140404

最初出于纯粹的好奇心进行调查，研究人员发现了一项发现，它弥合了亚里士多德两千年前的观察与现代理解之间的差距，同时为一大堆“酷”和“冷却”的含义打开了大门。

Mpemba 效应最广为人知的是一种令人困惑的现象，其中热水比冷水结冰得更快。对这种反直觉效应的观察可以追溯到 2,000 多年前的亚里士多德，他指出本都的希腊人正在他们的捕鱼活动中利用这种效应。

Mpemba 效应也激起了历史上其他伟大思想家的好奇心，例如 René Descartes 和 Francis Bacon。它仍然是许多大篇文章的主题，并定期在各种环境中作为一个好奇的焦点出现，例如在烹饪比赛 MasterChef 中，参赛者试图利用这种效果，比甜点挑战中看起来更快的速度提供冷冻美食。

现在，我们可以说这种奇怪的效应比我们之前预期的要普遍得多，因为由物理学院的 John Goold 教授领导的 Trinity QuSys 团队刚刚在《物理评论快报》杂志上发表了一篇研究论文。该论文概述了他们在理解量子物理学非常不同且极其复杂的世界中的影响方面的突破。

Goold 教授说：“'Mpemba 效应'得名于 Erasto Mpemba，他在 1963 年还是个学生时，在坦桑尼亚的家政课上制作冰淇淋。Mpemba 没有等他的热冰淇淋混合物冷却后就直接放入冰箱，不出所料，他发现它在同学的所有较冷的样品之前就结冰了。

“他向他的老师指出了这一点，老师嘲笑他不懂物理学——例如，牛顿冷却定律告诉我们，物体的冷却速度与物体与其周围环境之间的温差成正比。然而，Mpemba 说服了一位访问教授——达累斯萨拉姆大学的 Denis Osoborne——来测试他所看到的，两人发表了一篇论文，确实证明了这种奇怪的效果。

虽然 Mpemba 效应仍未完全理解——它的存在在宏观尺度上引起了激烈的争论——但它在微观尺度上更为明显，物理学家使用量子力学理论来描述自然。

量子 Mpemba 效应最近成为一个热门话题，但无数问题悬而未决;例如，Quantum Effect 与 Original Effect 有什么关系？我们能否构建一个热力学框架来更好地理解这种现象？

QuSys 研究小组的突破回答了一些关键问题。

Goold 教授说：“我们是非平衡热力学和量子理论之间接口的专家，因此，我们拥有解决这些问题的正确工具箱。我们的工作基本上提供了一种在量子系统中产生 Mpemba 效应的配方，其中可以执行有效“加热”量子系统的物理转换。然后，量子系统的这种转变自相矛盾地允许它通过利用量子动力学中的独特特征以指数级的速度放松或'冷却'。

利用非平衡量子热力学工具包，该团队成功地弥合了亚里士多德两千年前的观察结果与我们现代对量子力学的理解之间的差距。

现在，它为许多与研究和应用相关的问题打开了大门。

Goold 教授补充说：“虽然我们最初是出于对知识的好奇而开展这个项目，但它迫使我们提出几个基本问题，即描述冷却的热力学定律与描述基本层面现实的量子力学之间的关系。我们目前正在开发一种几何方法来解决这个问题，希望这使我们能够在同一个数学框架中理解不同类型的 Mpemba 效应。

“在这个真正'酷'的 Mpemba 效应中，你实际上拥有的是一种加速冷却的方法——量子系统的冷却对于量子技术中的应用绝对至关重要。考虑到这一点，我相信我们正在开发的一些用于研究这种基本影响的工具对于理解热流等事物以及如何在未来技术中最大限度地减少耗散至关重要。

更多信息：Mattia Moroder 等人，量子 Mpemba 效应的热力学，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.140404。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2403.16959

期刊信息： arXiv ， Physical Review Letters