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Als ehemaliges Mitglied der Junior Class der University of Science and Technology of China ist Professor Lu Dawei von der Southern University of Science and Technology in den Augen seiner Kollegen wahrscheinlich eine Art „Held, der von einem Jungen geboren wurde“.

Wenn er jedoch auf seine Studienerfahrung zurückblickt, gibt er zu: „Es ist wirklich leicht, morgens im College die Kontrolle über sich selbst zu verlieren.“

Dennoch erhielt er einen Bachelor-Abschluss und einen Doktortitel von der University of Science and Technology of China. Nach Abschluss seiner Postdoc-Forschung an der University of Waterloo in Kanada kehrte er nach China zurück und ging an die Southern University of Science and Technology, um dort Wissenschaftler zu werden.

Gleichzeitig bildete er als Lehrer auch ein junges Talent wie ihn selbst aus: Huang Keyi.

Vor nicht allzu langer Zeit wurde in der führenden Physikzeitschrift Physical Review Letters ein Artikel mit Lu Dawei als korrespondierendem Autor und Huang Keyi als Erstautor veröffentlicht. Zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Arbeit war Huang Keyi noch ein Student im Grundstudium.

Worum geht es also in diesem Artikel? Berichten zufolgeMithilfe von Kernspinresonanz-Quantensystemen verifizierten sie das Prinzip einer „autarken“ Quantenkühlung (Kühlschrank).

Abbildung |. Von links nach rechts: Huang Keyi, der Erstautor des Artikels, und Lu Dawei, der korrespondierende Autor des Artikels (Quelle: Lu Dawei)

Durch die Entwicklung und Regulierung einer spezifischen Form der „Dreikörper“-Wechselwirkung zwischen drei Atomen konstruierte das Forschungsteam diesen „autarken“ Quantenkühlschrank.

Im gesamten Kühlkreislauf wird keine zusätzliche Energie benötigt, um eines der Atome abzukühlen (ähnlich wie bei einem klassischen Kühlschrank, der nicht angeschlossen werden muss).

Dies ist nicht nur ein Phänomen, das nur in der mikroskopischen Quantenwelt vorkommt, sondern verstößt auch nicht gegen die klassischen Gesetze der Thermodynamik.

Zu den Anwendungsaussichten sagte Lu Dawei: „Ein praktischer Quantenkühlschrank wird vorerst definitiv nicht gebaut. Gleichzeitig denke ich, dass die Schwierigkeit, ein solches Gerät zu realisieren, nicht geringer ist als der Bau eines universellen Quantencomputers.“ Aber wie der Gutachter sagte, ist die Verwendung dieser Methode zur Kühlung von Qubits in Quantencomputern immer noch sehr vielversprechend. "

(Quelle: Physical Review Letters)

Beginnen wir mit den „Monstern“ der Physik

Berichten zufolge untersucht die klassische Thermodynamik ein makroskopisches System, beschreibt das durchschnittliche Verhalten einer großen Anzahl von Teilchen und folgt den Gesetzen der Newtonschen Mechanik und der statistischen Mechanik.

Auf dieser Grundlage definierten die Menschen eine Reihe makroskopischer Größen wie Temperatur, innere Energie und Entropie und erfanden Geräte wie Wärmekraftmaschinen und Kühlschränke durch Wärmeübertragung und Arbeitsanalyse.

Die Quantenthermodynamik untersucht mikroskopische Quantensysteme, insbesondere Systeme mit nur wenigen Teilchen.

Es basiert auf den Grundprinzipien der Quantenmechanik und umfasst die Überlagerung, Verschränkung und Messung von Quantenzuständen. Dies unterscheidet die Quantenthermodynamik grundlegend von der klassischen Thermodynamik und bedeutet auch, dass fast alle klassischen thermodynamischen Größen neu definiert werden müssen.

Beispielsweise kann im klassischen Zylinder-Kolben-Modell die Arbeit durch die Bewegung des Kolbens definiert werden. Wenn der Kolben das Gas komprimiert, leistet er „positive Arbeit“, und wenn das Gas den Kolben wegdrückt, leistet er „negative Arbeit“. ".

In der Quantenwelt gibt es nur die Quantenzustände einiger weniger Teilchen und die Schrödinger-Gleichung, die ihre Entwicklung regelt. Zu diesem Zeitpunkt wird Arbeit als die Änderung der Systemenergie definiert, wenn der Quantenzustand unverändert bleibt. Eine Erhöhung der Energie ist „positive Arbeit“ und umgekehrt ist „negative Arbeit“.

Der Unterschied zwischen Quantenarbeit und klassischer Arbeit liegt nicht nur in der Definition. In der Quantenwelt besteht auch ein enger Zusammenhang zwischen Arbeit und Information, der sich im berühmten „Maxwells Dämon“-Paradoxon widerspiegelt.

Im Jahr 1867 schlug der britische Wissenschaftler James Clerk Maxwell ein Experiment vor, um den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu erforschen und in Frage zu stellen, der besagt, dass Wärme immer spontan von einem Objekt mit hoher Temperatur zu einem Objekt mit niedriger Temperatur fließt.

Maxwell stellte sich einen winzigen „Dämon“ vor und stellte sich vor, dass er eine Tür bewachte, die zwei Gaskammern trennte. Die Anfangstemperaturen der beiden Gaskammern sind gleich, das heißt, sie befinden sich im thermischen Gleichgewicht.

Der „Maxwells Dämon“ kann die Geschwindigkeit jedes Gasmoleküls beobachten und das Öffnen und Schließen der Tür steuern. Wenn der Dämon sieht, wie sich ein schnelles Molekül von der linken Kammer in die rechte Kammer bewegt, öffnet er die Tür und lässt das Molekül passieren.

Wenn der Dämon sieht, wie sich ein langsames Molekül von der rechten Kammer in die linke Kammer bewegt, öffnet er auch die Tür und lässt das Molekül passieren.

Durch solche Vorgänge kann der „Dämon“ schnelle Moleküle in der rechten Kammer und langsame Moleküle in der linken Kammer konzentrieren, wodurch die Temperatur der rechten Kammer erhöht und die Temperatur der linken Kammer gesenkt wird.

Dies scheint gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verstoßen, da die beiden ursprünglich im thermischen Gleichgewicht befindlichen Gaskammern unter der Führung des „Dämons“ tatsächlich die Trennung von Hochtemperatur- und Niedertemperaturbereichen realisierten.

Aus diesem Grund löste das Experiment „Maxwells Dämon“ umfangreiche Diskussionen und Forschungen in der akademischen Gemeinschaft aus und erweiterte das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Thermodynamik und Informationstheorie.

Moderne Physiker glauben, dass „Maxwells Dämon“ nicht gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt, da der „Dämon“ Informationen benötigt, wenn er Moleküle beobachtet und entscheidet, Türen zu öffnen und zu schließen.

Die Verarbeitung dieser Informationen selbst erfordert Arbeit, insbesondere wenn der „Dämon“ Informationen löscht, erhöht sich die Entropie, was die Abnahme der Systementropie ausgleichen kann.

Auf dieser Grundlage förderte das Experiment „Maxwells Dämon“ die Anwendung der Informationstheorie in der Thermodynamik, enthüllte den tiefgreifenden Zusammenhang zwischen Informationsverarbeitung und physikalischen Prozessen und legte den Grundstein für die Entwicklung der Quantenthermodynamik.

In der Quantenthermodynamik umfasst der thermodynamische Prozess von Quantensystemen hauptsächlich die Steuerung und Messung von Quantenzuständen, also die Verarbeitung von „Quanteninformationen“.

Durch die Definition der Entropie von Quantenzuständen hat die akademische Gemeinschaft nach und nach eine Verbindung zwischen Quanteninformation und Thermodynamik hergestellt. Dies ähnelt den von „Maxwells Dämon“ aufgezeichneten Informations- und Entropieänderungen.

Gleichzeitig hat man herausgefunden, dass die Quanteninformationstheorie eine Reihe von Werkzeugen und Technologien wie Quantenkohärenz, Quantenverschränkung, Quantenmessung und andere neue Quantenressourcen bereitstellt, die die Erforschung der Quantenthermodynamik unterstützen können.

Beispielsweise kann die Effizienz von Wärmekraftmaschinen oder Kühlschränken durch Ressourcen wie Quantenverschränkung verbessert werden.

Auf der Tagesordnung steht die experimentelle Forschung zur Quantenthermodynamik

Allerdings können Quanteninformationen völlig neue Möglichkeiten für die Entwicklung der Thermodynamik eröffnen. Es gibt jedoch noch viele Herausforderungen bei der Erforschung und Verifizierung der Theorie der Quantenthermodynamik in tatsächlichen Quantensystemen.

Glücklicherweise sind die Menschen in den letzten zwei Jahrzehnten durch die kontinuierlichen Investitionen der akademischen Gemeinschaft in die Quanteninformationstechnologie immer besser in der Lage geworden, Quantensysteme zu steuern, und haben experimentelle Ergebnisse in Bereichen wie Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantentechnologie erzielt Präzisionsmessung. Riesiger Durchbruch.

Dann ist es selbstverständlich, dass die experimentelle Forschung zur Quantenthermodynamik, deren Kerntechnologie auch die Quanteninformationsverarbeitung ist, verbessert werden sollte.

Ein Forschungsschwerpunkt in der Quantenthermodynamik ist die Quantenwärmemaschine/-kühlung.

Am Beispiel eines Quantenkühlschranks ist seine Grundfunktion die gleiche wie bei einem klassischen Kühlschrank: Er absorbiert Wärme von einem kühleren Objekt und gibt die Wärme dann an eine heißere Umgebung ab, um eine Kühlung zu erreichen.

Im Gegensatz zu klassischen Kühlschränken nutzen Quantenkühlschränke jedoch die Quanteninformationsverarbeitung, um diesen Kühlprozess zu erreichen. Unter ihnen können verschiedene reichlich vorhandene Quantenressourcen diesen Prozess unterstützen.

Wenn dann das Quantensystem präzise gesteuert werden kann, können diese Quantenressourcen vorbereitet und effektiv genutzt werden, und ein Quantenkühlschrank kann experimentell realisiert werden.

Das Kernspinresonanz-Quantensystem ist eine der Hauptforschungsrichtungen des Teams von Lu Dawei, das das Resonanzphänomen von Atomkernen und Magnetfeldern untersucht.

Berichten zufolge lässt sich die Spininformation von Atomkernen sowohl steuern als auch auslesen. Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine alte und neue Technologie.

Es gilt als uralt, weil seine Entwicklung fast ein Jahrhundert gedauert hat. Isidor Isaac Rabi, der Nebendarsteller im Film „Oppenheimer“, gewann 1944 den Nobelpreis für Physik.

Heutzutage ist die moderne Kernspinresonanztechnologie zu einem unverzichtbaren „scharfen Werkzeug“ für medizinische Untersuchungen geworden, bei denen es darum geht, den Gesundheitszustand von Patienten durch den Nachweis von Wasserstoffatomen in menschlichen Wassermolekülen zu beurteilen.

Sie gilt als neuartig, da die Kernspinresonanz als Funktion von Quantensystemen erst seit mehr als 20 Jahren entwickelt wird.

Tatsächlich ist die Kernspinresonanz im Bereich der Quanteninformation eine bahnbrechende experimentelle Plattform.

Durch die Codierung von Quanteninformationen in den Spin von Atomkernen und deren anschließende Steuerung und Auslesung durch Magnetfelder können verschiedene Quanteninformationsaufgaben gelöst und viele wunderbare Quantenphänomene aufgedeckt werden.

Seit seinem Doktoratsstudium im Jahr 2007 arbeitet Lu Dawei seit fast 20 Jahren in dieser Richtung.

Im Jahr 2012 kam Lu Dawei als Postdoktorand nach Kanada, wo er einen Artikel über die Theorie eines „autarken“ Quantenkühlschranks las [1].

Damals hielt er die Idee der Dreikörperinteraktion für sehr clever. Da er sich während seiner Postdoktorandenzeit jedoch hauptsächlich mit Kernspinresonanz-Quantencomputing beschäftigte, konzentrierte er seine Hauptenergie auf die Verbesserung der Anzahl der Qubits und der Kontrollgenauigkeit.

Im Jahr 2017 schloss sich Lu Dawei der Southern University of Science and Technology an, um eine unabhängige Organisation zu gründen. Mit der Entwicklung von Quantensystemen wie supraleitenden Schaltkreisen und Ionenfallen wurden die Nachteile der Verwendung von Kernspinresonanzsystemen zur Realisierung von Quantencomputern immer größer.

Im Jahr 2020 las Lu Dawei zufällig einen Übersichtsartikel zur Quantenthermodynamik. Nachdem ich es gelesen hatte, wurde mir plötzlich klar, dass sich die Kernspinresonanz sehr gut für das Studium der Quantenthermodynamik eignet.

Schließlich untersucht dieses System die Thermodynamik auf der realen atomaren und molekularen Ebene und verfügt außerdem über viele einzigartige Vorteile wie Raumtemperatur und Ensemble.

„Es vermittelt den Menschen das Gefühl des Romans „Das Drei-Körper-Problem“

Zu dieser Zeit hatten alle Doktoranden in der Gruppe andere Aufgaben, also holte Lu Dawei zwei Studenten in die Gruppe: Zhu Xuanran, einen Junior, und Huang Keyi, einen Studenten im zweiten Jahr.

Später nutzten sie die Kernspinresonanz, um einen Quantenkühlschrank mit „unbestimmter Kausalordnung“ zu realisieren.

„Unbestimmte kausale Reihenfolge“ ist eine wunderbare Quantenressource, die die Koexistenz der Reihenfolge des Auftretens zweier Ereignisse A und B ermöglicht.

Das heißt, die klassische Welt erlaubt nur A vor B oder B vor A, aber die Quantenwelt erlaubt die „gleichzeitige“ Existenz dieser beiden Ordnungen.

Auf der NMR-AusrüstungDas Team nutzte vier Kohlenstoffatome im Crotonsäuremolekül, um diese „unbestimmte kausale Ordnung“ zu erreichen, und nutzte sie als Quantenressource, um den Quantenkühlungsprozess voranzutreiben und einen Quantenkühlschrank zu realisieren.

Im Jahr 2022 werden verwandte Artikel in Physical Review Letters [2] veröffentlicht.

Lu Dawei sagte: „Zhu Xuanran, der damals Co-Autor dieser Arbeit war, hatte bereits seinen Abschluss gemacht, was ihm bei der Bewerbung um ein Stipendium eigentlich nicht geholfen hat ist derzeit an der Hong Kong University of Science and Technology und promoviert dort.“

Gleichzeitig sorgte dieses Papier aus dem Jahr 2022 auch für großes Aufsehen. Dr. Philip Ball, ein bekannter Wissenschaftsbuchautor und Gewinner des Royal Society Science Book Award, stellte in seiner Kolumne „Nature Materials“ [3] speziell die Experimente der Forschungsgruppe von Lu Dawei vor.

Im Jahr 2024 untersuchte das Team eine weitere Quantenressource, die Dreikörperwechselwirkung. Dieser Effekt klingt ein wenig nach Science-Fiction und vermittelt den Leuten das Gefühl eines „Drei-Körper“-Romans.

Ob es nun die bekannte elektrostatische Kraft (Coulomb) oder die Gravitationskraft ist, sie sind tatsächlich die Wirkungen zwischen zwei Objekten. Selbst in der Quantenwelt gibt es noch keine natürlichen Dreikörperwechselwirkungen.

(Quelle: Physical Review Letters)

Sobald jedoch diese Drei-Körper-Wirkung konstruiert ist, treten viele interessante Phänomene auf.

Beispielsweise stellten sich Forscher der Universität Bristol im Vereinigten Königreich vor mehr als einem Jahrzehnt eine „autarke“ Quantenkühlung durch Dreikörperwechselwirkung vor.

Das von Lu Daweis Team im Jahr 2024 durchgeführte Experiment bestätigte gerade die obige Idee.

Das heißt, durch die Verwendung der drei Kohlenstoffatome in Crotonsäure und die Kombination verschiedener Kontrollmethoden, die vom Kernspinresonanz-Quantensystem entwickelt wurden, konnten sie die für den Versuchsplan erforderliche Dreikörperwechselwirkung erfolgreich modulieren.

Während der Studie maßen sie die Arbeits- und Wärmeänderungen während des gesamten Prozesses und stellten fest, dass tatsächlich kein Nettoenergieeintrag in das Quantensystem erfolgte.

Darüber hinaus verfolgten sie die Temperaturänderungen der Zielatome. Es wurde festgestellt, dass die Temperatur der Zielatome mit fortschreitender Kühlung spontan abnimmt.

„Obwohl die akademische Gemeinschaft dies in der Theorie schon lange vorhergesagt hat, ist es ein echtes Erfolgserlebnis, wenn dieses Phänomen tatsächlich experimentell beobachtet wird.“

Kürzlich wurde ein verwandter Artikel in Physical Review Letters [4] unter dem Titel „Experimental Realization of Self-Contained Quantum Refrigeration“ veröffentlicht.

Huang Keyi, ein Student an der Southern University of Science and Technology, ist der Erstautor, und Professor Lu Dawei und Assistenzprofessor Nie Xinfang von der Southern University of Science and Technology fungieren als Mitautoren.

Abbildung |. Verwandte Artikel (Quelle: Physical Review Letters)

Ich habe bei der Einreichung meines Manuskripts bewusst einen Fehler „verkauft“, wurde aber vom Gutachter freundlich darauf hingewiesen.

Lu Dawei sagte: „Wir haben in der Tat großes Glück. Beide Gutachter von PRL gaben sehr positive Rezensionsmeinungen ab. Tatsächlich habe ich aufgrund des Nischencharakters der Quantenthermodynamikforschung, insbesondere dieses Experiments, das Manuskript bereits vorbereitet und überprüft. Die Leute bereiten sich darauf vor.“ zu einem langfristigen Tauziehen führen und sogar absichtlich einen Fehler im Text „verkaufen“.

Infolgedessen entdeckte einer der Gutachter nicht nur diesen Fehler, sondern ergriff auch die Initiative, um ihnen dabei zu helfen, eine Lösung für diesen „Fehler“ vorzuschlagen.

„Ich war nicht nur sehr glücklich, als ich die Rezensionskommentare sah, sondern war auch ein wenig verblüfft. Es fühlte sich an, als hätte ich als Kind etwas falsch gemacht und es absichtlich verheimlicht, aber meine Mutter hat es freundlicherweise darauf hingewiesen.“ sagte.

Darüber hinaus glauben die Gutachter, dass diese experimentelle Studie zur Quantenthermodynamik sowohl wichtig als auch neu ist. Was Lu Dawei darüber hinaus noch mehr bewunderte, war, dass die Gutachter sogar über die Anwendungsaussichten der Ergebnisse für sie nachdachten.

Der Gutachter ist der Ansicht, dass der aktuelle Quantenkühlschrank nur ein Beweis des Prinzips ist und kurzfristig keine wesentlichen Anwendungen haben wird.

Allerdings kann die Quantenkühlungstechnologie Qubits tatsächlich weiter kühlen und die Fehlerrate im Quantencomputerprozess unterdrücken.

Den Ideen des Gutachters folgend, schlugen Lu Dawei und andere einen theoretischen Rahmen für die Nutzung der Dreikörperwechselwirkungskühlung für die Quantencomputer-Initialisierung vor.

„Dieses Gefühl ist wie das eines Doktoranden, der die Fürsorge und Anleitung des Tutors erhalten hat. Ich bin den Rezensenten von PRL wirklich dankbar. Ihr akademisches Niveau ist sehr hoch und ihre Einsichten sind sehr stark. Sie haben uns tiefer gemacht.“ „Ich bin mir der Bedeutung wissenschaftlicher Diskussion und Zusammenarbeit bewusst“, sagte Lu Dawei.

(Quelle: Physical Review Letters)

Wie bereits erwähnt, ist Huang Keyi der Erstautor dieser Arbeit aus dem Jahr 2024. Lu Dawei, sein Tutor, lobte diesen Studenten sehr.

Lu Dawei sagte, dass er zu Beginn dieser Forschung 50.000 Yuan ausgegeben habe, um ein altes Gerät zu finden, das mehr als 20 Jahre alt sei.

Damals sagte er den Schülern, dass diese Ausrüstung jedem zum Üben überlassen werden könne. Dann teilte er Huang Keyi auch den Artikel über die Theorie der „autarken“ Quantenkühlschränke mit, der ganz unten in der Schachtel lag.

Lu Dawei sagte zu Huang Keyi: „Da du lernst, Experimente durchzuführen, tu es nicht. Egal, welche neuen Dinge du tust, es ist zumindest ein Ergebnis. Mückenbeine sind auch Fleisch.“

Unerwarteterweise war Huang Keyis Ausführungsfähigkeiten hervorragend. Er klärte alle Details mit einem Schlag, er lernte auch Instrumente und führte gleichzeitig Experimente durch. „Als er dann in seinem zweiten Jahr an der Graduiertenschule war, bekam er seine erste PRL-Arbeit als Erstautor“, sagte Lu Dawei.

Allerdings gibt es auf diesem Gebiet noch relativ wenige experimentelle Studien zur Quantenthermodynamik. Nach der Veröffentlichung des Artikels wurden sie verstärkt von Kollegen aus der theoretischen Physik kontaktiert. Darüber hinaus äußerten diese Kollegen auch ihre Bereitschaft, im Bereich der Kernspinresonanz-Quantenthermodynamik zusammenzuarbeiten.

„Derzeit führen wir eine experimentelle Zusammenarbeit mit drei theoretischen Gruppen durch, die viele breite thermodynamische Bereiche wie Quantenthermodynamik, Informationstheorie und Ressourcentheorie abdecken. Vor kurzem wurde die Arbeit, die wir mit dem Team der City University of Hong Kong zusammengearbeitet haben, von PRL angenommen .“ Lu Dawei gab die abschließende Erklärung ab.

Verweise:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.PRL 129, 100603 (2022)

Mat. 21,1099 (2022)

4.Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... & Lu, D. (2024). Experimentelle Realisierung einer in sich geschlossenen Quantenkühlung.Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Bedienung/Satz: He Chenlong

01/ Das Team von Hong Kong City entwickelt eine neue Art von Nanoschichtmembran, die in speziellen Szenarien zur Süßwasseraufbereitung eingesetzt werden kann, und schafft Durchbrüche bei der Anwendung zweidimensionaler Materialien.

02/ Jahrzehntelange chemische Probleme haben glaubwürdige Antworten gegeben. Wissenschaftler haben einen neuen mikroskopischen Mechanismus für die Auflösung von Chlorwasserstoff unter Bildung von Salzsäure vorgeschlagen, der die Entwicklung mehrerer Disziplinen fördern wird.

03/ Wissenschaftler entwickeln eine neue Methode zur Quantensensorsteuerung, die schwache Signale genau erkennen und zur Erkennung und Steuerung einzelner Kernspins verwendet werden kann

04/ Die neuen „Top 35 Technological Innovators Under 35“ China-Gewinner von „MIT Technology Review“ werden offiziell bekannt gegeben!Erleben Sie die Innovationskraft der wissenschaftlichen und technologischen Jugend in Shanghai

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