uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston junioriluokan entisenä jäsenenä Eteläisen tiede- ja teknologiayliopiston professori Lu Dawei on luultavasti eräänlainen "pojasta syntynyt sankari" ikätovereidensa silmissä.

Vaikka hän myönsi opiskelukokemustaan ​​muistellessaan: "On todella helppoa menettää itsensä hallinnan yliopistossa aamulla."

Mutta hän suoritti edelleen perustutkinnon ja tohtorin tutkinnon Kiinan tiede- ja teknologiayliopistosta Suoritettuaan tohtorintutkinnon Waterloon yliopistossa Kanadassa, hän palasi Kiinaan ja liittyi Southern University of Science and Technology -yliopistoon tutkijaksi.

Samaan aikaan opettajana hän koulutti myös itsensä kaltaista nuorta lahjakkuutta - Huang Keyi.

Ei kauan sitten, artikkeli, jossa Lu Dawei oli vastaava kirjoittaja ja Huang Keyi ensimmäisenä kirjoittajana, julkaistiin fysiikan huippulehdessä Physical Review Letters. Tätä paperia valmistuessaan Huang Keyi oli vain perustutkinto-opiskelija.

Joten mistä tässä paperissa on kyse? Raporttien mukaanYdinmagneettiresonanssikvanttijärjestelmiä käyttämällä he vahvistivat "omavaraisen" kvanttijäähdytyksen (jääkaapin) periaatteen.

Kuva | Vasemmalta oikealle: Huang Keyi, paperin ensimmäinen kirjoittaja, ja Lu Dawei, paperin vastaava kirjoittaja (Lähde: Lu Dawei)

Suunnittelemalla ja säätelemällä erityistä "kolmen kappaleen" vuorovaikutusta kolmen atomin välillä tutkimusryhmä rakensi tämän "omavaraisen" kvanttijääkaapin.

Ylimääräistä energiaa ei tarvita koko jäähdytyssyklin aikana yhden atomin jäähdyttämiseen (samanlainen kuin klassinen jääkaappi, jota ei tarvitse kytkeä pistorasiaan).

Tämä ei ole vain mikroskooppisen kvanttimaailman ainutlaatuinen ilmiö, vaan se ei myöskään riko klassisia termodynamiikan lakeja.

Sovellusnäkymien osalta Lu Dawei sanoi: "Käytännöllistä kvanttijääkaappia ei todellakaan rakenneta toistaiseksi. Samanaikaisesti uskon, että tällaisen laitteen toteuttamisen vaikeus ei ole pienempi kuin universaalin kvanttitietokoneen rakentaminen." Mutta kuten arvioija sanoi, tämän menetelmän käyttäminen kubittien jäähdyttämiseen kvanttitietokoneissa on edelleen erittäin lupaavaa. "

(Lähde: Physical Review Letters)

Aloitetaan fysiikan "hirviöistä".

Raporttien mukaan klassinen termodynamiikka tutkii makroskooppista järjestelmää, kuvaa suuren määrän hiukkasten keskimääräistä käyttäytymistä ja noudattaa Newtonin mekaniikan ja tilastollisen mekaniikan lakeja.

Tästä ihmiset määrittelivät joukon makroskooppisia suureita, kuten lämpötilaa, sisäistä energiaa ja entropiaa, ja keksivät laitteita, kuten lämpökoneita ja jääkaappeja lämmönsiirron ja työanalyysin avulla.

Kvanttitermodynamiikka tutkii mikroskooppisia kvanttijärjestelmiä, erityisesti järjestelmiä, joissa on vain muutama hiukkanen.

Se perustuu kvanttimekaniikan perusperiaatteisiin, joihin kuuluu kvanttitilojen superpositio, kietoutuminen ja mittaus. Tämä tekee kvanttitermodynamiikasta pohjimmiltaan erilaisen kuin klassinen termodynamiikka ja tarkoittaa myös sitä, että lähes kaikki klassiset termodynaamiset suureet on määriteltävä uudelleen.

Esimerkiksi klassisessa sylinteri-mäntämallissa työ voidaan määritellä männän liikkeellä Kun mäntä puristaa kaasua, se tekee "positiivista työtä" ja kun kaasu työntää männän pois, se tekee "negatiivista työtä". ".

Kvanttimaailmassa on vain muutamien hiukkasten kvanttitilat ja niiden kehitystä ohjaava Schrödingerin yhtälö. Tällä hetkellä työ määritellään järjestelmän energian muutokseksi, kun kvanttitila pysyy muuttumattomana. Energian lisäys on "positiivista työtä" ja päinvastoin "negatiivista työtä".

Ero kvanttityön ja klassisen työn välillä ei ole vain määritelmä, vaan työn ja tiedon välillä on myös läheinen yhteys kvanttimaailmassa, mikä heijastuu kuuluisaan "Maxwellin demonin" paradoksiin.

Vuonna 1867 brittiläinen tiedemies James Clerk Maxwell ehdotti koetta termodynamiikan toisen lain tutkimiseksi ja haastamiseksi, jonka mukaan lämpö virtaa aina spontaanisti korkean lämpötilan esineestä matalan lämpötilan esineeseen.

Maxwell kuvitteli pienen "demonin" ja kuvitteli sen vartioivan oviaukkoa, joka erotti kaksi kaasukammiota. Kahden kaasukammion alkulämpötilat ovat samat, eli ne ovat lämpötasapainossa.

"Maxwellin demoni" voi tarkkailla kunkin kaasumolekyylin nopeutta ja ohjata oven avaamista ja sulkemista. Kun demoni näkee nopean molekyylin liikkuvan vasemmasta kammiosta oikeaan, se avaa oven ja päästää molekyylin kulkemaan.

Kun demoni näkee hitaan molekyylin liikkuvan oikeasta kammiosta vasempaan kammioon, se avaa myös oven ja päästää molekyylin kulkemaan.

Tällaisten toimintojen avulla "demoni" voi keskittää nopeita molekyylejä oikeaan kammioon ja hitaita molekyylejä vasempaan kammioon, mikä nostaa oikean kammion lämpötilaa ja alentaa vasemman kammion lämpötilaa.

Tämä näyttää rikkovan termodynamiikan toista pääsääntöä, koska kaksi kaasukammiota, jotka olivat alun perin lämpötasapainossa, todella toteuttivat korkean lämpötilan ja matalan lämpötilan alueiden erottamisen "demonin" ohjauksessa.

Tästä syystä "Maxwellin demoni" -koe laukaisi laajaa keskustelua ja tutkimusta akateemisessa yhteisössä ja laajensi ymmärrystä termodynamiikan ja informaatioteorian välisestä suhteesta.

Nykyajan fyysikot uskovat, että "Maxwellin demoni" ei riko termodynamiikan toista lakia, koska "demoni" tarvitsee tietoa tarkkaillessaan molekyylejä ja päättäessään avata ja sulkea ovia.

Tämän tiedon käsittely itsessään vaatii työtä, varsinkin kun "demoni" pyyhkii tiedot, entropia kasvaa, mikä voi korvata järjestelmän entropian vähenemisen.

Tämän perusteella "Maxwellin demoni" -koe edisti informaatioteorian soveltamista termodynamiikkaan, paljasti tiedonkäsittelyn ja fysikaalisten prosessien syvällisen yhteyden ja loi pohjan kvanttitermodynamiikan kehitykselle.

Kvanttitermodynamiikassa kvanttijärjestelmien termodynaaminen prosessi käsittää pääasiassa kvanttitilojen ohjauksen ja mittauksen, eli "kvanttitiedon" käsittelyn.

Määrittelemällä kvanttitilojen entropiaa akateeminen yhteisö on vähitellen luonut yhteyden kvanttitiedon ja termodynamiikan välille. Tämä on samanlainen kuin "Maxwellin demonin" tallentamat tiedot ja entropian muutokset.

Samaan aikaan ihmiset ovat havainneet, että kvanttiinformaatioteoria tarjoaa joukon työkaluja ja teknologioita, kuten kvanttikoherenssia, kvanttiketumista, kvanttimittausta ja muita uusia kvanttiresursseja, jotka voivat auttaa kvanttitermodynamiikan tutkimuksessa.

Esimerkiksi lämpökoneiden tai jääkaappien tehokkuutta voidaan parantaa resurssien, kuten kvanttisekoittumisen, avulla.

Kvanttitermodynamiikan kokeellinen tutkimus on otettu asialistalle

Vaikka kvanttitieto voi tuoda täysin uusia mahdollisuuksia termodynamiikan kehitykseen. Kvanttitermodynamiikan teorian tutkiminen ja tarkistaminen todellisissa kvanttijärjestelmissä on kuitenkin edelleen monia haasteita.

Onneksi kahden viime vuosikymmenen aikana, kun akateeminen yhteisö on jatkuvasti investoinut kvanttitietotekniikkaan, ihmiset ovat pystyneet hallitsemaan kvanttijärjestelmiä ja ovat saavuttaneet kokeellisia tuloksia sellaisilla aloilla kuin kvanttilaskenta, kvanttiviestintä ja kvanttitekniikka. mittaustarkkuus valtava läpimurto.

Silloin on luonnollista, että kvanttitermodynamiikan kokeellista tutkimusta, joka myös käyttää ydinteknologiana kvanttiinformaation käsittelyä, tulee päivittää.

Kvanttitermodynamiikan tutkimuskohde on kvanttilämpökone/jääkaappi.

Esimerkkinä kvanttijääkaapin perustehtävä on sama kuin klassisen jääkaapin, joka imee lämpöä kylmemmästä esineestä ja luovuttaa sitten lämpöä lämpimämpään ympäristöön jäähdytyksen aikaansaamiseksi.

Kuitenkin toisin kuin klassiset jääkaapit, kvanttijääkaapit käyttävät kvanttitietojen käsittelyä tämän jäähdytysprosessin saavuttamiseksi. Niiden joukossa erilaiset runsaat kvanttiresurssit voivat tarjota apua tähän prosessiin.

Sitten, jos kvanttijärjestelmää voidaan tarkasti ohjata, nämä kvanttiresurssit voidaan valmistaa ja hyödyntää tehokkaasti, kvanttijääkaappi voidaan toteuttaa kokeellisesti.

Ydinmagneettiresonanssikvanttijärjestelmä on yksi tärkeimmistä tutkimussuunnista Lu Dawein ryhmässä, jonka tehtävänä on tutkia atomiytimien ja magneettikenttien resonanssiilmiötä.

Raporttien mukaan atomiytimien kuljettamaa spin-informaatiota voidaan sekä hallita että lukea. Itse asiassa tämä on vanhaa ja uutta tekniikkaa.

Sen sanotaan olevan ikivanha, koska sen kehitys on kestänyt lähes vuosisadan, elokuvan "Oppenheimer" sivuosa Isidor Isaac Rabi löysi ydinmagneettisen resonanssin. Voitti 1944 fysiikan Nobelin.

Nykyään nykyaikaisesta ydinmagneettiresonanssitekniikasta on tullut korvaamaton "terävä työkalu" lääketieteellisiin tutkimuksiin, joiden tarkoituksena on arvioida potilaiden terveyttä havaitsemalla vetyatomeja ihmisen vesimolekyyleistä.

Sen sanotaan olevan uusi, koska kvanttijärjestelmien funktiona ydinmagneettista resonanssia on kehitetty vasta yli 20 vuoden ajan.

Itse asiassa kvanttitiedon alalla ydinmagneettinen resonanssi on uraauurtava kokeellinen alusta.

Koodaamalla kvanttiinformaatiota atomiytimien spiniin ja sitten ohjaamalla ja lukemalla sitä magneettikenttien kautta voidaan suorittaa erilaisia ​​kvanttiinformaatiotehtäviä ja paljastaa monia upeita kvanttiilmiöitä.

Siitä lähtien, kun Lu Dawei opiskeli tohtoriksi vuonna 2007, hän on työskennellyt tähän suuntaan lähes 20 vuotta.

Vuonna 2012 Lu Dawei tuli Kanadaan tutkijatohtorina, jossa hän luki artikkelin "omavaraisen" kvanttijääkaapin teoriasta [1].

Tuolloin hän katsoi, että ajatus kolmen kehon vuorovaikutuksesta oli erittäin fiksu. Koska hän kuitenkin opiskeli pääasiallisesti ydinmagneettista resonanssikvanttilaskentaa tohtorintutkinnon aikana, hän keskitti pääenergiansa kubittien määrän ja ohjaustarkkuuden lisäämiseen.

Vuonna 2017 Lu Dawei liittyi Southern University of Science and Technology -yliopistoon muodostaakseen itsenäisen organisaation. Kvanttijärjestelmien, kuten suprajohtavien piirien ja ioniloukkujen, kehityksen myötä ydinmagneettisten resonanssijärjestelmien käytön haitat kvanttitietokoneiden toteuttamisessa vahvistuvat jatkuvasti.

Vuonna 2020 Lu Dawei luki sattumalta katsauspaperin kvanttitermodynamiikasta. Sen lukemisen jälkeen tajusin yhtäkkiä, että ydinmagneettinen resonanssi sopii erittäin hyvin kvanttitermodynamiikan tutkimiseen.

Loppujen lopuksi tämä järjestelmä tutkii termodynamiikkaa todellisessa atomi- ja molekyylimittakaavassa, ja sillä on myös monia ainutlaatuisia etuja, kuten huoneen lämpötila ja kokonaisuus.

"Se antaa ihmisille tunteen romaanista "Kolmekehon ongelma"

Tuolloin kaikilla ryhmän jatko-opiskelijoilla oli muita tehtäviä, joten Lu Dawei sai ryhmään kaksi opiskelijaa: Zhu Xuanran, juniori ja Huang Keyi, toisen vuoden opiskelija.

Myöhemmin he käyttivät ydinmagneettista resonanssia toteuttaakseen kvanttijääkaapin, jolla oli "määrittelemätön syy-järjestys".

"Epämääräinen kausaalijärjestys" on upea kvanttiresurssi, joka mahdollistaa kahden tapahtuman A ja B esiintymisjärjestyksen olemassaolon rinnakkain.

Toisin sanoen klassinen maailma sallii vain A:n ennen B:tä tai B:n ennen A:ta, mutta kvanttimaailma sallii näiden kahden järjestyksen "samanaikaisen" olemassaolon.

NMR-laitteissaRyhmä käytti neljää hiiliatomia krotonihappomolekyylissä saavuttaakseen tämän "määrittämättömän syy-järjestyksen" ja käytti sitä kvanttiresurssina kvanttijäähdytysprosessin ohjaamiseen ja kvanttijääkaapin toteuttamiseen.

Vuonna 2022 asiaan liittyvät artikkelit julkaistaan ​​Physical Review Lettersissä [2].

Lu Dawei sanoi: "Zhu Xuanran, joka oli tuolloin tämän artikkelin toinen kirjoittaja, oli jo valmistunut, mikä ei itse asiassa auttanut häntä hakemaan stipendejä. Mutta kulta tulee aina loistamaan. Hän sai myöhemmin Hongkongin hallituksen stipendin ja on tällä hetkellä Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston tohtorintutkinto-opiskelussa."

Samaan aikaan tämä paperi vuonna 2022 aiheutti myös melkoista kohua. Tri. Philip Ball, kuuluisa tiedekirjojen kirjoittaja ja Royal Society Science Book Award -palkinnon voittaja, esitteli erityisesti Lu Dawein tutkimusryhmän kokeet Nature Materials -kolumnissaan [3].

Vuonna 2024 ryhmä tutki toista kvanttiresurssia, kolmen kehon vuorovaikutusta. Tämä tehoste kuulostaa hieman scifiltä, ​​ja se antaa ihmisille "Kolmekehon" -romaanin tunteen.

Itse asiassa, olipa kyseessä tuttu sähköstaattinen (Coulomb) voima tai gravitaatiovoima, ne ovat vaikutuksia kahden kohteen välillä. Edes kvanttimaailmassa luonnollisia kolmen kehon vuorovaikutuksia ei edelleenkään ole olemassa.

(Lähde: Physical Review Letters)

Kuitenkin, kun tämä kolmen kehon toiminta on rakennettu, tapahtuu monia mielenkiintoisia ilmiöitä.

Esimerkiksi yli vuosikymmen sitten Iso-Britannian Bristolin yliopiston tutkijat visioivat "omavaraista" kvanttijäähdytystä kolmen kehon vuorovaikutuksen kautta.

Lu Dawein tiimin vuonna 2024 suorittama kokeilu vahvisti yllä olevan ajatuksen.

Toisin sanoen käyttämällä krotonihapon kolmea hiiliatomia ja yhdistämällä erilaisia ​​ydinmagneettisen resonanssin kvanttijärjestelmän kehittämiä ohjausmenetelmiä ne moduloivat onnistuneesti koesuunnitelman edellyttämää kolmen kehon vuorovaikutusta.

Tutkimuksen aikana he mittasivat työ- ja lämmönmuutoksia koko prosessin aikana ja havaitsivat, että kvanttijärjestelmään ei todellakaan ollut nettoenergian syöttöä.

Lisäksi he seurasivat kohdeatomien lämpötilan muutoksia. Todettiin, että jäähdytyksen edetessä kohdeatomien lämpötila on laskenut spontaanisti.

"Vaikka akateeminen yhteisö on ennustanut tämän teoriassa jo pitkään, kun tämä ilmiö todella havaitaan kokeellisesti, se on melkoinen saavutuksen tunne", Lu Dawei sanoi.

Äskettäin asiaan liittyvä artikkeli julkaistiin Physical Review Lettersissä [4] otsikolla "Experimental Realization of Self-tained Quantum Refrigeration".

Huang Keyi, Southern of Science and Technology -yliopiston perustutkinto-opiskelija, on ensimmäinen kirjoittaja, ja professori Lu Dawei ja apulaisprofessori Nie Xinfang Eteläisen tiede- ja teknologiayliopistosta toimivat rinnakkaiskirjoittajina.

Kuva | Aiheeseen liittyvät paperit (Lähde: Physical Review Letters)

Lähetin käsikirjoitukseni tarkoituksella "myyn virheen", mutta arvioija huomautti minulle ystävällisesti.

Lu Dawei sanoi: "Olemme todella onnekkaita. Molemmat PRL:n arvostelijat antoivat erittäin myönteisiä arvosteluja. Itse asiassa kvanttitermodynamiikan tutkimuksen, erityisesti tämän kokeen, kapean luonteen vuoksi olen jo valmistellut ja tarkistanut käsikirjoituksen. Ihmiset valmistautuvat pitkän aikavälin köydenvetoa varten ja jopa tarkoituksellisesti "myydä virhettä" tekstissä."

Tämän seurauksena yksi arvioijista ei vain löytänyt tämän puutteen, vaan myös teki aloitteen auttaakseen heitä ehdottamaan ratkaisua tähän "virheeseen".

"En ollut vain erittäin iloinen nähdessäni arvostelun kommentit, vaan myös hieman mykistynyt. Tuntui kuin olisin tehnyt jotain väärin lapsena ja salannut sen tarkoituksella, mutta äitini osoitti sen ystävällisesti." sanoi.

Lisäksi arvioijat uskovat, että tämä kokeellinen tutkimus kvanttitermodynamiikasta on sekä tärkeä että uusi. Lisäksi Lu Dawei ihaili vielä enemmän sitä, että arvioijat jopa ajattelivat tulosten soveltamisnäkymiä heille.

Arvioija uskoo, että nykyinen kvanttijääkaappi on vain todiste periaatteesta, eikä sillä ole merkittäviä sovelluksia lyhyellä aikavälillä.

Kvanttijäähdytysteknologia voi kuitenkin todellakin edelleen jäähdyttää kubitteja ja tukahduttaa kvanttilaskentaprosessin virhesuhteen.

Arvioijan ideoita seuraten Lu Dawei ja muut ehdottivat teoreettista viitekehystä kolmen kappaleen vuorovaikutteisen jäähdytyksen käytölle kvanttilaskennan alustuksessa.

"Tämä tunne on kuin jatko-opiskelijalla, joka on saanut ohjaajan huolenpitoa ja ohjausta. Olen todella kiitollinen PRL:n arvioijille. Heidän akateeminen tasonsa on erittäin korkea ja näkemyksensä erittäin vahvat. He ovat syventäneet meitä. tietoinen tieteellisen keskustelun ja yhteistyön tärkeydestä." Lu Dawei sanoi.

(Lähde: Physical Review Letters)

Kuten aiemmin mainittiin, Huang Keyi on tämän vuoden 2024 paperin ensimmäinen kirjoittaja. Tästä perustutkinto-opiskelijasta Lu Dawei, hänen ohjaajansa, ylisti häntä suuresti.

Lu Dawei sanoi, että tämän tutkimuksen alussa hän käytti 50 000 yuania löytääkseen vanhan, yli 20 vuotta vanhan laitteen.

Tuolloin hän kertoi opiskelijoille, että nämä laitteet voisi jättää kaikkien käytettäväksi. Sitten hän myös jakoi Huang Keyille paperin "omavaraisten" kvanttijääkaappien teoriasta, joka oli laatikon pohjassa.

Lu Dawei kertoi Huang Keyille: "Koska opit tekemään kokeita, älä tee sitä. Ei väliä mitä uusia asioita teet, se on ainakin tulos. Hyttysen jalat ovat myös lihaa."

Yllättäen Huang Keyin suorituskyky oli erinomainen. Hän selvitti kaikki yksityiskohdat pyyhkäisyllä, ja samalla hän opiskeli instrumentteja ja suoritti kokeita. "Sitten kun hän oli toista vuotta tutkijakoulussa, hän sai ensimmäisen kirjoittajansa PRL-paperin, Lu Dawei sanoi.

Kentällä on kuitenkin vielä suhteellisen vähän kokeellisia tutkimuksia kvanttitermodynamiikasta. Artikkelin julkaisun jälkeen teoreettisen fysiikan kollegat ottivat heihin yhteyttä. Lisäksi nämä kollegat ilmaisivat halukkuutensa tehdä yhteistyötä ydinmagneettisen resonanssin kvanttitermodynamiikassa.

"Tällä hetkellä teemme kokeellista yhteistyötä kolmen teoreettisen ryhmän kanssa, jotka koskevat kvanttitermodynamiikkaa, informaatioteoriaa, resurssiteoriaa ja monia muita termodynaamisia aloja laajassa mielessä. Äskettäin paperi, jonka teimme yhteistyössä Hongkongin kaupungin yliopiston tiimin kanssa, on juuri hyväksytty PRL." Lu Dawei antoi viimeisen lausunnon.

Viitteet:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.PRL 129, 100603 (2022)

3.Nat. Matto. 21 1099 (2022)

4. Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... & Lu, D. (2024). Itsenäisen kvanttijäähdytyksen kokeellinen toteutus. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Operaatio/ladonta: He Chenlong

01/ Hongkongin kaupungin tiimi kehittää uudentyyppistä nanokerroskalvoa, jota voidaan käyttää makean veden käsittelyyn erikoistilanteissa ja löytää läpimurtoja kaksiulotteisten materiaalien soveltamiseen.

02/ Vuosikymmeniä kestäneille kemiallisille ongelmille on annettu uskottavia vastauksia. Tutkijat ovat ehdottaneet uutta mikroskooppista mekanismia vetykloridin liuottamiseksi suolahapon muodostamiseksi, mikä edistää useiden tieteenalojen kehitystä.

03/ Tiedemiehet luovat uuden kvanttitunnistuksen ohjausmenetelmän, jolla voidaan havaita tarkasti heikot signaalit ja jota voidaan käyttää yksittäisten ydinpyörien havaitsemiseen ja ohjaamiseen

04/ "MIT Technology Review":n uusi "Top 35 Technological Innovators Under 35" Kiinan voittajat julkistetaan virallisesti!Todista tieteellisten ja teknologisten nuorten innovatiivisuus Shanghaissa

05/ Pekingin yliopiston tiimi kehitti onnistuneesti erittäin vahvoja hiilinanoputkikuituja, joiden dynaaminen vahvuus on 14GPa, joita voidaan käyttää kevyinä, tehokkaina rakenne- ja suojamateriaaleina