Mpemba Etkisine Kuantum Enformasyon Termodinamiği Çerçevesinden Bir Bakış

Abstract

Mpemba etkisi, sıcak bir sistemin daha soğuk bir sisteme kıyasla daha hızlı soğuması olarak bilinen, sezgilere aykırı bir termodinamik olgudur ve hem klasik hem de kuantum sistemlerinde gözlemlenmiştir. Ancak, bu etkinin temel mekanizmaları hâlâ yeterince anlaşılamamıştır. Bu tezde, kuantum kaynak kuramları çerçevesinde, klasik ve kuantum ilintilerin anormal soğuma davranışlarındaki rolünü inceliyoruz. Yerel termal dengede bulunan çoklu kübit sistemleri üzerinden yapılan analizler sonucunda, klasik ilintilerin kendi başına Mpemba etkisini doğurabileceğini ortaya koyuyoruz. Öte yandan, kuantum ilintilerin etkisi belirli enerji dejenerasyonu koşullarında ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, Markov olmayan bellek etkilerinin ve Hilbert uzayının boyutunun, bu etkinin hangi sıcaklık aralığında gözlemlendiğini belirlemede önemli bir rol oynadığını gösteriyoruz. Son olarak, sıvı su moleküllerini yedi seviyeli bir kuantum sistem olarak modelleyerek, sudaki özgün anormal soğuma davranışının da klasik ilintilerden kaynaklanabileceği olasılığını tartışıyoruz.

The Mpemba effect, a counterintuitive thermodynamic phenomenon in which a hotter system cools more rapidly than a colder one, has been observed in both classical and quantum systems. However, its fundamental mechanisms remain inadequately understood. In this thesis, we investigate the role of classical and quantum correlations in driving anomalous relaxation behaviors within the framework of quantum resource theories. Through an analysis of multi-qubit systems in local thermal equilibrium, we establish that classical correlations alone can give rise to the Mpemba effect, while quantum correlations become relevant under specific energy degeneracy conditions. Furthermore, we demonstrate that non-Markovian memory effects and Hilbert space dimensionality play a crucial role in determining the temperature range over which this effect manifests. Finally, we discuss the possibility that the original anomalous cooling behavior observed in water may also arise from classical correlations, by modeling liquid water molecules as a seven-leveled quantum system.