Een team van onderzoekers van het National Institute of Informatics (NII) in Tokyo en NTT Basic Research Laboratories (BRL, Nippon Telegraph en Telephone Corporation) in Japan hebben een uitleg gepubliceerd over hoe kwantumsystemen kunnen opwarmen door af te koelen. Hun paper verscheen onlangs in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Verwarmen door te koelen klinkt nogal contra-intuïtief, maar als het systeem symmetrieën heeft, verval kan veel dingen betekenen, " zegt Kae Nemoto, een professor in de Principles of Informatics Research Division aan het NII, dat deel uitmaakt van de Inter-University Research Institute Corporation Research Organization of Information and Systems (ROIS).

Nemoto en haar team onderzochten een dubbel subdomeinsysteem gekoppeld aan een enkel reservoir met constante temperatuur. Elk subdomein bevatte meerdere spins - een vorm van impulsmoment die wordt gedragen door elementaire deeltjes zoals elektronen en kernen. De onderzoekers beschouwden de situatie waarin de spins binnen elk subdomein ten opzichte van elkaar zijn uitgelijnd, maar de subdomeinen zelf zijn tegengesteld uitgelijnd (bijvoorbeeld allemaal omhoog in één en allemaal omlaag in de tweede). Dit zorgt voor een zekere symmetrie in het systeem.

Naarmate de tijd vordert, de componenten van het subdomein vervallen in een proces dat ontspanning wordt genoemd.

"Gebruikelijk, we verwachten dat beide domeinen zullen vervallen tot de reservoirtemperatuur; echter, wanneer de twee domeinen gekoppeld aan een reservoir een zekere symmetrie behouden, het vervalproces kan blijkbaar het kleinere domein opwarmen, zelfs buiten de hoge temperatuurlimiet, ' zei Nemoto.

De onderzoekers kunnen de domeinen tot op zekere hoogte controleren, terwijl het reservoir eigenlijk veel groter is, onbekende entiteit die kan worden gekarakteriseerd door macroscopische parameters zoals temperatuur. Ze gebruiken dit systeem om nieuwe dynamiek te voorspellen en de verschillende niveaus van thermalisatie te onderzoeken, zoals het verval in een subdomein dat de componenten van een ander subdomein opwindt.

"Koelprocessen kunnen nu een subsysteem opwarmen, " zei Nemoto. "Ons geval is wiskundig vrij eenvoudig, maar het geeft de rijke dynamiek aan die wordt veroorzaakt door kwantumdissipatieve processen."

Omdat niet alle systemen symmetrie hebben, Nemoto en haar team willen de complexe interacties tussen de subdomeinen en het reservoir verder onderzoeken. "We zullen meer van deze contra-intuïtieve vervaldynamiek onderzoeken en laten zien wanneer en hoe we deze dynamiek precies kunnen zien, "Nemoto zei, opmerkend dat deze effecten kunnen worden gebruikt om kwantumsystemen te ontwerpen en te controleren.