南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院在量子多体系统耗散动力学理论研究方向取得重要进展。研究团队在一维量子自旋链模型中发现，量子临界点能够显著增强并稳定一种反常的非平衡弛豫现象——强量子姆潘巴效应。相关成果以 Quantum Mpemba effect in dissipative spin chains at criticality （耗散自旋链在临界区域的量子姆潘巴效应）为题，发表于学科高水平期刊Science China Physics, Mechanics & Astronomy。
姆潘巴效应最初发现于经典体系，是一种长期以来引发广泛关注的反直觉非平衡现象：在相同外界环境条件下，初始温度更高的系统，反而可能比初始温度较低的系统更快达到热平衡。近年来，随着可控量子体系实验技术的快速发展，研究人员在基于冷原子平台的实验中观测到了与经典姆潘巴效应类似的反常弛豫行为。2024年，相关实验首次在量子体系中确认了这一现象的存在，并将其命名为量子姆潘巴效应（Quantum Mpemba Effect）。这一发现迅速引发了理论与实验领域的研究热潮，推动了人们对量子非平衡动力学、耗散机制以及量子热力学基本规律的深入理解。然而，已有研究表明量子姆潘巴效应通常只在有限的参数区间或特定初始条件下出现，尤其对于开放系统中的姆潘巴效应，其稳定性、普适性以及背后的微观物理起源尚未被充分挖掘。厘清这一效应在量子多体系统中的形成机制，并探索其与量子相变和临界涨落之间的内在联系，已成为开放量子系统与非平衡统计物理领域的重要前沿问题。同时，该方向的研究也被认为对量子信息处理器中的耗散调控、量子态制备，以及由量子资源驱动的新型能量转换和量子热机等潜在技术应用具有重要启示意义。
在本工作中，研究团队研究了与马尔可夫环境耦合的一维量子自旋链模型，在耗散的驱动下系统被加热到无穷高温的状态，其动力学演化过程通过 Lindblad 主方程刻画。图 1 以示意图的形式直观展示了量子姆潘巴效应的基本特征：尽管某些初始态在初始时刻与稳态的“距离”更远，但其弛豫轨迹却可能更快接近稳态，并在演化过程中与其他初态的轨迹发生交叉。研究中进一步区分了依赖初始条件的弱量子姆潘巴效应和对初态选择具有鲁棒性的强量子姆潘巴效应，为后续的定量分析建立了清晰的概念框架。
图1：量子姆潘巴效应的示意图。(a) 本文采用的量子耗散自旋链示意图和两种不同初态的升温过程。(b-d) 直观展示的量子姆潘巴效应的基本图像：在动力学演化过程中，尽管某些初始态在初始时刻与稳态之间的“距离”更远，其弛豫轨迹却可能更快地接近稳态，并在演化过程中与其他初始态的弛豫轨迹发生交叉。图中同时示意了弱量子姆潘巴效应（weak Quantum Mpemba Effect, wQME）与强量子姆潘巴效应（strong Quantum Mpemba Effect, sQME）的区别，其中强量子姆潘巴效应表现为对初始条件具有鲁棒性的反常加速弛豫行为。
基于上述框架，研究团队重点考察了 XXZ 自旋链在不同参数条件下的耗散动力学行为。图 2 给出了系统从不同初始温度出发的完整演化轨迹。研究发现：在量子临界点处，尽管零温初态在初始时刻与稳态相距更远，其弛豫速度却始终快于有限温度初态，呈现出清晰而稳定的强量子姆潘巴效应。而当系统参数偏离临界点后，不同初态之间的弛豫轨迹交叉现象迅速减弱甚至消失，强量子姆潘巴效应退化为弱效应，表明该反常动力学行为与量子临界性密切相关。进一步的谱分析表明，这一现象的物理根源在于量子临界点处刘维尔超算符谱结构的显著重组。临界涨落导致慢弛豫模与不同初始态之间的重叠关系发生突变，从而使某些“看似更远离稳态”的初态反而避开了最慢的衰减通道，实现异常加速的弛豫过程。研究团队还将分析推广至具有竞争相互作用的 J₁–J₂ 自旋链模型，发现强量子姆潘巴效应同样稳定地出现在量子相变点附近，表明这一机制具有一定的普适性。该研究首次系统揭示了量子相变与非平衡耗散动力学之间的可能存在深层联系，表明量子临界点不仅决定平衡态的物理性质，也可作为放大和稳定非平衡反常弛豫现象的“天然平台”。相关成果为利用耗散动力学探测量子临界行为，以及在超冷原子、离子阱和超导量子比特等可控量子体系中实现和调控非平衡效应，提供了新的理论依据。值得指出的是，该研究仅以一维自旋链为例发现了这层联系，量子临界性与姆潘巴效应的普遍关系尚且未知，值得进一步探索。
图2：量子临界点及其附近处的耗散动力学演化。量子姆潘巴效应的示意图。左图表明XXZ自旋链模型在铁磁临界点处出现了强姆潘巴效应，右图表明的是一旦偏离临界点，强姆潘巴效应将会立即退化为弱姆潘巴效应。图中蓝线是初态为绝对零度演化曲线，红线则是有限温度为初态的演化曲线，稳态是无穷高温态。
南开大学物理科学学院 2022 级本科生魏子骏为论文第一作者，南开大学物理科学学院潘磊副教授与中国科学院物理研究所胡海平研究员为论文的共同通讯作者，合作者还包括杭州师范大学的蒋相平博士。该研究受到国家自然科学基金青年项目、科技部重点研发计划以及南开大学百青计划等项目的支持。
论文链接：https://www.sciengine.com/SCPMA/doi/10.1007/s11433-025-2878-4
|
