Два путника идут к одной цели. Один стартует ближе, но выбирает извилистую просёлочную дорогу. Другой начинает дальше, зато сразу выходит на скоростное шоссе. Второй приходит первым. В квантовой физике этот парадокс известен как квантовый эффект Мпембы: состояние, изначально более далёкое от равновесия, достигает его быстрее, чем более близкое. Долгое время его наблюдали только в системах, где каналы релаксации были искусственно сконструированы, как специально проложенные трассы. Теперь физики показали, что эффект возникает сам по себе, в естественной тепловой релаксации ядерных спинов в жидкости.

Эксперимент выполнили на двухспиновой системе протонов в молекуле 2-хлоракрилонитрила, растворённой в диметилсульфоксиде, в спектрометре ЯМР 500 МГц при комнатной температуре. Доминирующий механизм релаксации — дипольное взаимодействие между ядерными спинами, то есть обмен энергией через магнитные диполи. Этот процесс описывается уравнением ГСКЛ с лиувиллианом, имеющим блочную структуру, которую иногда называют «воздушным змеем» Редфилда. Авторы теоретически вывели, что при определённых условиях динамика населённостей сводится к независимой релаксации двух кубитов с разными эффективными температурами бани. Затем они подготовили два начальных состояния: одно ближе к тепловому равновесию, другое дальше, но с нулевым перекрытием с самой медленной модой распада. После приготовления состояния оставляли эволюционировать без внешних импульсов до 29 секунд, что значительно превышает время продольной релаксации T1 = 5.7 с. За релаксацией следили, измеряя следовое расстояние до теплового состояния.

Результат оказался чётким: состояние, изначально более далёкое от равновесия ($ρ_f$), достигает теплового состояния быстрее, чем более близкое ($ρ_n$). Для параметра θ = 70° и 60° кривые расстояния пересекаются, показывая эффект Мпембы. Измерение перекрытий с модами распада показало, что $ρ_n$ перекрывается и с медленной (λ1), и с быстрой (λ3) модами, тогда как $ρ_f$ — только с быстрой. Это объясняет ускорение: $ρ_f$ распадается через быстрый канал, минуя медленный. Кроме того, продемонстрирован «подлинный квантовый эффект Мпембы»: состояние с большей свободной энергией ($ρ_f$) достигает равновесия быстрее, чем состояние с меньшей свободной энергией ($ρ_n$). Теоретические предсказания согласуются с данными при времени корреляции бани $τ_c$ = 2.1 пс и константе дипольной связи b = 5.903 кГц.

Работа показывает, что квантовый эффект Мпембы — не артефакт специально сконструированных систем, а естественное явление, возникающее при обычной тепловой релаксации. Понимание условий его возникновения открывает путь к целенаправленному использованию этого явления. Можно искать аналогичные эффекты в более сложных спиновых системах, в том числе в твёрдотельных кубитах, где релаксация часто является ограничивающим фактором. Возможно, удастся разработать методы ускоренной инициализации квантовых состояний, используя естественные каналы релаксации без дополнительного контроля. Для квантовых технологий это означает сокращение простоев между вычислительными циклами. Для фундаментальной неравновесной статистической механики — уточнение границ применимости марковского описания. Дальний путник, выбравший шоссе, теперь не просто метафора, а инженерный принцип.