近日，兰州大学物理科学与技术学院吴威教授与罗洪刚教授合作在国际顶级物理学期刊《Physical Review Letters》上发表题为Quantum Mpemba Effect Induced by Non-Markovian Exceptional Points的研究论文。该研究首次提出并验证了一种在非马尔可夫开放量子系统中，通过非马尔可夫例外点实现量子Mpemba效应的普适机制，为加速量子系统的能量与信息传递提供了全新路径。我院博士研究生张泽洲同学为文章第一作者，吴威教授为文章唯一通讯作者。

什么是量子Mpemba效应？

Mpemba效应是一个经典的反常现象：热水比冷水更快结冰。近年来，这一概念被推广到量子世界，形成了量子Mpemba效应。它描述的是：一个远离平衡态的量子系统，反而比一个更接近平衡态的系统更快地弛豫到稳态。理解并利用这一效应，不仅有助于揭示热化过程的本质，还可能在量子电池、量子热机等量子能量器件中实现性能的突破性提升。

图注：（a）赝模主方程方法的示意图。（b）量子Mpemba效应的示意图：远离平衡的初态1比接近平衡的初态2更快弛豫到平衡态。（c）刘维尓谱分析：蓝色实线表示刘维尓超算符的本征值的实部，绿色虚线表示其虚部。红色五角星是刘维尓例外点。（d）利用非马尔可夫刘维尓例外点，可以观察到量子Mpemba效应。

突破马尔可夫近似：非马尔可夫例外点诱导的量子Mpemba效应

在以往的理论研究中，量子Mpemba效应通常依赖于玻恩-马尔可夫近似，即假设系统与环境耦合较弱且环境无记忆效应。然而，这一近似在强耦合或复杂环境中往往失效。为突破这一限制，研究团队引入赝模主方程方法，将非马尔可夫动力学等价映射为高维马尔可夫过程。解析与数值结果表明，在非马尔可夫例外点附近，系统的弛豫速率达到最大值，从而诱导量子Mpemba效应。通过比较两个不同初始态的弛豫过程，研究清晰观察到远离平衡的态反而更快到达稳态，而这一效应在传统的马尔可夫近似下完全消失。这充分证明，非马尔可夫例外点是实现加速弛豫的关键资源。

实验可行性强，应用前景广阔

该方案不仅在理论上具有普适性，而且具备良好的实验可操作性。研究指出，当前可在核磁共振平台、超导量子电路、离子阱等量子模拟器中实现所提出的非马尔可夫例外点。例如，通过将系统与多个赝模耦合，可以精确调控例外点条件，从而在实验中观测到加速弛豫现象。 该成果不仅深化了人们对非马尔可夫效应在非平衡热力学中作用的理解，也为未来高性能量子电池、量子热机、量子传感器等器件的发展提供了新的物理机制和设计范式。

本工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、甘肃省自然科学基金以及“111中心”的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zjdz-rqqd