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En tant qu'ancien membre de la classe junior de l'Université des sciences et technologies de Chine, le professeur Lu Dawei de l'Université des sciences et technologies du Sud est probablement une sorte de « héros né d'un garçon » aux yeux de ses pairs.

Cependant, en repensant à son expérience de premier cycle, il a admis : « Il est très facile de perdre le contrôle de soi à l'université le matin. »

Mais il a quand même obtenu un diplôme de premier cycle et un doctorat de l’Université des sciences et technologies de Chine. Après avoir effectué des recherches postdoctorales à l’Université de Waterloo au Canada, il est retourné en Chine et a rejoint l’Université des sciences et technologies du Sud pour devenir scientifique.

Parallèlement, en tant qu'enseignant, il a également formé un jeune talent comme lui, Huang Keyi.

Il n'y a pas si longtemps, un article avec Lu Dawei comme auteur correspondant et Huang Keyi comme premier auteur a été publié dans la revue de physique de premier plan Physical Review Letters. Au moment de rédiger cet article, Huang Keyi n’était qu’un étudiant de premier cycle.

Alors, de quoi parle ce document ? Selon les rapports,En utilisant des systèmes quantiques de résonance magnétique nucléaire, ils ont vérifié le principe d’une réfrigération quantique (réfrigérateur) « autosuffisante ».

Figure | De gauche à droite : Huang Keyi, le premier auteur de l'article, et Lu Dawei, l'auteur correspondant de l'article (Source : Lu Dawei)

En concevant et en régulant une forme spécifique d’interaction « à trois corps » entre trois atomes, l’équipe de recherche a construit ce réfrigérateur quantique « autosuffisant ».

Aucune énergie supplémentaire n’est nécessaire dans tout le cycle de réfrigération pour refroidir l’un des atomes (semblable à un réfrigérateur classique qui n’a pas besoin d’être branché).

Il s’agit non seulement d’un phénomène propre au monde quantique microscopique, mais il ne viole pas non plus les lois classiques de la thermodynamique.

Concernant les perspectives d'application, Lu Dawei a déclaré : « Un réfrigérateur quantique pratique ne sera certainement pas construit pour le moment. En même temps, je pense que la difficulté de réaliser un tel appareil n'est rien de moins que de construire un ordinateur quantique universel. Mais comme l’a dit le critique, l’utilisation de cette méthode pour refroidir les qubits dans les ordinateurs quantiques est encore très prometteuse. "

(Source : Lettres d'examen physique)

Commençons par les « monstres » en physique

Selon les rapports, la thermodynamique classique étudie un système macroscopique, décrit le comportement moyen d'un grand nombre de particules et suit les lois de la mécanique newtonienne et de la mécanique statistique.

À partir de là, les gens ont défini une série de grandeurs macroscopiques telles que la température, l’énergie interne et l’entropie, et ont inventé des équipements tels que les moteurs thermiques et les réfrigérateurs grâce au transfert de chaleur et à l’analyse du travail.

La thermodynamique quantique étudie les systèmes quantiques microscopiques, en particulier les systèmes ne comportant que quelques particules.

Il s'appuie sur les principes de base de la mécanique quantique, impliquant la superposition, l'intrication et la mesure d'états quantiques. Cela rend la thermodynamique quantique fondamentalement différente de la thermodynamique classique et signifie également que presque toutes les grandeurs thermodynamiques classiques doivent être redéfinies.

Par exemple, dans le modèle classique cylindre-piston, le travail peut être défini par le mouvement du piston. Lorsque le piston comprime le gaz, il effectue un « travail positif », et lorsque le gaz repousse le piston, il effectue un « travail négatif ». ".

Dans le monde quantique, il n’existe que les états quantiques de quelques particules et l’équation de Schrödinger qui régit leur évolution. À l'heure actuelle, le travail est défini comme le changement dans l'énergie du système lorsque l'état quantique reste inchangé. Une augmentation de l'énergie est un « travail positif », et vice versa, un « travail négatif ».

La différence entre le travail quantique et le travail classique ne réside pas seulement dans la définition, il existe également un lien étroit entre le travail et l'information dans le monde quantique, qui se reflète dans le célèbre paradoxe du « Démon de Maxwell ».

En 1867, le scientifique britannique James Clerk Maxwell a proposé une expérience pour explorer et remettre en question la deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle la chaleur circule toujours spontanément d'un objet à haute température vers un objet à basse température.

Maxwell a imaginé un petit « démon » et l'a imaginé gardant une porte qui séparait deux chambres à gaz. Les températures initiales des deux chambres à gaz sont les mêmes, c'est-à-dire qu'elles sont en équilibre thermique.

Le « Démon de Maxwell » peut observer la vitesse de chaque molécule de gaz et contrôler l'ouverture et la fermeture de la porte. Lorsque le démon voit une molécule rapide se déplacer de la chambre de gauche vers la chambre de droite, il ouvre la porte et laisse passer la molécule.

Lorsque le démon voit une molécule lente se déplacer de la chambre droite vers la chambre gauche, il ouvre également la porte et laisse passer la molécule.

Grâce à de telles opérations, le « démon » peut concentrer des molécules rapides dans la chambre droite et des molécules lentes dans la chambre gauche, augmentant ainsi la température de la chambre droite et abaissant la température de la chambre gauche.

Cela semble violer la deuxième loi de la thermodynamique, car les deux chambres à gaz, qui étaient à l'origine en équilibre thermique, ont en fait réalisé la séparation des régions à haute et basse température sous la direction du « démon ».

Pour cette raison, l’expérience « Le Démon de Maxwell » a déclenché des discussions et des recherches approfondies au sein de la communauté universitaire et a élargi la compréhension de la relation entre la thermodynamique et la théorie de l’information.

Les physiciens modernes pensent que le « démon de Maxwell » ne viole pas la deuxième loi de la thermodynamique, car le « démon » a besoin d'informations pour observer des molécules et décider d'ouvrir et de fermer des portes.

Le traitement de ces informations lui-même demande du travail, surtout lorsque le « démon » efface les informations, l'entropie va augmenter, ce qui peut compenser la diminution de l'entropie du système.

Sur cette base, l'expérience « Le Démon de Maxwell » a favorisé l'application de la théorie de l'information en thermodynamique, a révélé le lien profond entre le traitement de l'information et les processus physiques et a jeté les bases du développement de la thermodynamique quantique.

En thermodynamique quantique, le processus thermodynamique des systèmes quantiques implique principalement le contrôle et la mesure des états quantiques, c'est-à-dire le traitement des « informations quantiques ».

En définissant l’entropie des états quantiques, la communauté académique a progressivement établi un lien entre information quantique et thermodynamique. Ceci est similaire aux changements d'information et d'entropie enregistrés par "Maxwell's Demon".

Dans le même temps, les gens ont découvert que la théorie de l'information quantique fournit une série d'outils et de technologies, tels que la cohérence quantique, l'intrication quantique, la mesure quantique et d'autres nouvelles ressources quantiques, qui peuvent contribuer à la recherche sur la thermodynamique quantique.

Par exemple, l’efficacité des moteurs thermiques ou des réfrigérateurs peut être améliorée grâce à des ressources telles que l’intrication quantique.

La recherche expérimentale sur la thermodynamique quantique mise à l'ordre du jour

Bien que l’information quantique puisse apporter des possibilités complètement nouvelles au développement de la thermodynamique. Cependant, il reste encore de nombreux défis à relever pour explorer et vérifier la théorie de la thermodynamique quantique dans les systèmes quantiques réels.

Heureusement, au cours des deux dernières décennies, grâce à l'investissement continu de la communauté universitaire dans les technologies de l'information quantique, les gens sont devenus de plus en plus capables de contrôler les systèmes quantiques et ont obtenu des résultats expérimentaux dans des domaines tels que l'informatique quantique, les communications quantiques et l'informatique quantique. mesure de précision. Énorme percée.

Il est donc naturel que la recherche expérimentale sur la thermodynamique quantique, qui utilise également le traitement de l’information quantique comme technologie de base, soit renforcée.

Un point chaud de la recherche en thermodynamique quantique est le moteur thermique/réfrigérateur quantique.

En prenant l'exemple d'un réfrigérateur quantique, sa fonction de base est la même que celle d'un réfrigérateur classique, qui consiste à absorber la chaleur d'un objet plus froid, puis à la libérer dans un environnement plus chaud pour obtenir un refroidissement.

Cependant, contrairement aux réfrigérateurs classiques, les réfrigérateurs quantiques utilisent le traitement de l’information quantique pour réaliser ce processus de réfrigération. Parmi elles, diverses ressources quantiques abondantes peuvent contribuer à ce processus.

Ensuite, si le système quantique peut être contrôlé avec précision, ces ressources quantiques peuvent être préparées et utilisées efficacement, et un réfrigérateur quantique peut être réalisé expérimentalement.

Le système quantique de résonance magnétique nucléaire est l'un des principaux axes de recherche de l'équipe de Lu Dawei, qui consiste à étudier le phénomène de résonance des noyaux atomiques et des champs magnétiques.

Selon les rapports, les informations de spin véhiculées par les noyaux atomiques peuvent être à la fois contrôlées et lues. En fait, il s’agit d’une technologie ancienne et nouvelle.

On dit qu'il est ancien car son développement a duré près d'un siècle. Isidor Isaac Rabi, l'acteur secondaire du film "Oppenheimer", a découvert le phénomène de résonance magnétique nucléaire. Il a remporté le prix Nobel de physique en 1944.

Aujourd'hui, la technologie moderne de résonance magnétique nucléaire est devenue un « outil pointu » indispensable pour les examens médicaux, qui consistent à juger de la santé des patients en détectant des atomes d'hydrogène dans les molécules d'eau humaines.

On dit que c'est nouveau car, en fonction des systèmes quantiques, la résonance magnétique nucléaire n'est développée que depuis plus de 20 ans.

En fait, dans le domaine de l’information quantique, la résonance magnétique nucléaire est une plateforme expérimentale pionnière.

En codant l'information quantique dans le spin des noyaux atomiques, puis en la contrôlant et en la lisant à travers des champs magnétiques, diverses tâches d'information quantique peuvent être accomplies et de nombreux phénomènes quantiques merveilleux peuvent être révélés.

Depuis ses études de doctorat en 2007, Lu Dawei travaille dans ce sens depuis près de 20 ans.

En 2012, Lu Dawei est venu au Canada en tant que chercheur postdoctoral, où il a lu un article sur la théorie d'un réfrigérateur quantique « autosuffisant » [1].

A cette époque, il pensait que l'idée d'une interaction à trois corps était très intelligente. Cependant, comme il a principalement étudié l’informatique quantique par résonance magnétique nucléaire au cours de sa période postdoctorale, il a concentré son énergie principale sur l’augmentation du nombre de qubits et de la précision des contrôles.

En 2017, Lu Dawei a rejoint la Southern University of Science and Technology pour former une organisation indépendante. Avec le développement de systèmes quantiques tels que les circuits supraconducteurs et les pièges à ions, les inconvénients de l’utilisation de systèmes de résonance magnétique nucléaire pour réaliser des ordinateurs quantiques sont constamment amplifiés.

En 2020, Lu Dawei a lu par hasard un article de synthèse sur la thermodynamique quantique. Après l’avoir lu, je me suis soudain rendu compte que la résonance magnétique nucléaire était très adaptée à l’étude de la thermodynamique quantique.

Après tout, ce système étudie la thermodynamique à l’échelle atomique et moléculaire réelle, et présente également de nombreux avantages uniques tels que la température ambiante et l’ensemble.

"Cela donne aux gens le sentiment du roman "Le problème à trois corps"

À cette époque, tous les étudiants diplômés du groupe avaient d'autres tâches, alors Lu Dawei a recruté deux étudiants de premier cycle dans le groupe : Zhu Xuanran, un junior, et Huang Keyi, un étudiant de deuxième année.

Plus tard, ils ont utilisé la résonance magnétique nucléaire pour réaliser un réfrigérateur quantique avec un « ordre causal indéfini ».

« L’ordre causal indéfini » est une merveilleuse ressource quantique qui permet de faire coexister l’ordre d’occurrence de deux événements A et B.

Autrement dit, le monde classique autorise uniquement A avant B, ou B avant A, mais le monde quantique autorise l'existence « simultanée » de ces deux ordres.

Sur l'équipement RMN,L’équipe a utilisé quatre atomes de carbone dans la molécule d’acide crotonique pour atteindre cet « ordre causal indéterminé » et l’a utilisé comme ressource quantique pour piloter le processus de réfrigération quantique et réaliser un réfrigérateur quantique.

En 2022, des articles connexes seront publiés dans Physical Review Letters [2].

Lu Dawei a déclaré : « Zhu Xuanran, qui était le co-auteur de cet article à l'époque, avait déjà obtenu son diplôme, ce qui ne l'a en fait pas aidé à postuler pour des bourses. Mais l'or brillera toujours. Il a ensuite reçu une bourse du gouvernement de Hong Kong et est actuellement à l’Université des sciences et technologies de Hong Kong pour un doctorat.

Dans le même temps, ce document de 2022 a également fait sensation. Le Dr Philip Ball, célèbre auteur de livres scientifiques et lauréat du Royal Society Science Book Award, a spécifiquement présenté les expériences du groupe de recherche de Lu Dawei dans sa rubrique Nature Materials [3].

En 2024, l’équipe a étudié une autre ressource quantique, l’interaction à trois corps. Cet effet ressemble un peu à de la science-fiction, donnant aux gens le sentiment d'un roman « à trois corps ».

En fait, qu’il s’agisse de la force électrostatique (Coulomb) familière ou de la force gravitationnelle, ce sont les effets entre deux objets. Même dans le monde quantique, les interactions naturelles à trois corps n’existent toujours pas.

(Source : Lettres d'examen physique)

Cependant, une fois cette action à trois corps construite, de nombreux phénomènes intéressants se produisent.

Par exemple, il y a plus de dix ans, des chercheurs de l’Université de Bristol au Royaume-Uni envisageaient une réfrigération quantique « autosuffisante » grâce à l’interaction de trois corps.

L'expérience menée par l'équipe de Lu Dawei en 2024 vient de vérifier l'idée ci-dessus.

Autrement dit, en utilisant les trois atomes de carbone de l’acide crotonique et en combinant diverses méthodes de contrôle développées par le système quantique de résonance magnétique nucléaire, ils ont réussi à moduler l’interaction à trois corps requise pour le plan expérimental.

Au cours de l’étude, ils ont mesuré les changements de travail et de chaleur tout au long du processus et ont constaté qu’il n’y avait effectivement aucun apport d’énergie net dans le système quantique.

De plus, ils ont suivi les changements de température des atomes cibles. Il a été constaté qu’à mesure que la réfrigération progresse, la température des atomes cibles diminue spontanément.

"Bien que la communauté universitaire l'ait prédit depuis longtemps en théorie, lorsque ce phénomène est réellement observé expérimentalement, c'est un véritable sentiment d'accomplissement", a déclaré Lu Dawei.

Récemment, un article connexe a été publié dans Physical Review Letters [4] sous le titre « Réalisation expérimentale de la réfrigération quantique autonome ».

Huang Keyi, étudiant de premier cycle à l'Université des sciences et technologies du Sud, est le premier auteur, et le professeur Lu Dawei et le professeur adjoint Nie Xinfang de l'Université des sciences et technologies du Sud sont les auteurs co-correspondants.

Figure | Documents connexes (Source : Lettres d'examen physique)

J'ai délibérément « vendu un défaut » lors de la soumission de mon manuscrit, mais j'ai été signalé amicalement par le critique.

Lu Dawei a déclaré : « Nous sommes en effet très chanceux. Les deux évaluateurs du PRL ont donné des avis très positifs. En fait, en raison de la nature de niche de la recherche en thermodynamique quantique, en particulier cette expérience, j'ai déjà préparé et révisé le manuscrit. pour une lutte acharnée à long terme, et même délibérément « vendre un défaut » dans le texte. »

En conséquence, l'un des évaluateurs a non seulement découvert cette faille, mais a également pris l'initiative de les aider à proposer une solution à cette « faille ».

"J'étais non seulement très heureux quand j'ai vu les commentaires de la critique, mais je me suis aussi senti un peu abasourdi. J'avais l'impression d'avoir fait quelque chose de mal quand j'étais enfant et de l'avoir délibérément caché, mais ma mère l'a gentiment signalé." dit.

En outre, les évaluateurs estiment que cette étude expérimentale sur la thermodynamique quantique est à la fois importante et nouvelle. De plus, ce que Lu Dawei admirait encore plus, c'est que les évaluateurs réfléchissaient même aux perspectives d'application des résultats pour eux.

L’examinateur estime que le réfrigérateur quantique actuel n’est qu’une preuve de principe et n’aura pas d’applications substantielles à court terme.

Cependant, la technologie de réfrigération quantique peut effectivement refroidir davantage les qubits et supprimer le taux d’erreur dans le processus informatique quantique.

Suivant les idées du critique, Lu Dawei et d'autres ont proposé un cadre théorique pour l'utilisation de la réfrigération par interaction à trois corps pour l'initialisation de l'informatique quantique.

"Ce sentiment est comme celui d'un étudiant diplômé qui a reçu les soins et les conseils d'un tuteur. Je suis vraiment reconnaissant envers les évaluateurs de PRL. Leur niveau académique est très élevé et leurs idées sont très fortes. Ils nous ont rendus plus profonds. conscient de l'importance de la discussion et de la coopération scientifiques", a déclaré Lu Dawei.

(Source : Lettres d'examen physique)

Comme mentionné précédemment, Huang Keyi est le premier auteur de cet article de 2024. Pour cet étudiant de premier cycle, Lu Dawei, en tant que tuteur, l'a hautement félicité.

Lu Dawei a déclaré qu'au début de cette recherche, il avait dépensé 50 000 yuans pour retrouver un vieil équipement vieux de plus de 20 ans.

À ce moment-là, il a dit aux étudiants que cet équipement pouvait être laissé à la disposition de chacun pour s'entraîner. Ensuite, il a également partagé avec Huang Keyi l'article sur la théorie des réfrigérateurs quantiques « autosuffisants » qui se trouvait au fond de la boîte.

Lu Dawei a dit à Huang Keyi : « Puisque vous apprenez à faire des expériences, ne le faites pas. Peu importe les nouvelles choses que vous faites, au moins c'est un résultat. Les pattes de moustiques sont aussi de la viande.

De manière inattendue, la capacité d'exécution de Huang Keyi était exceptionnelle. Il a clarifié tous les détails d'un seul coup, et il a également appris des instruments et mené des expériences en même temps. "Puis, alors qu'il était en deuxième année d'études supérieures, il a obtenu son premier article PRL de premier auteur", a déclaré Lu Dawei.

Cependant, il existe encore relativement peu d’études expérimentales sur la thermodynamique quantique dans ce domaine. Après la publication de l’article, ils ont été davantage contactés par des collègues en physique théorique. En outre, ces collègues ont également exprimé leur volonté de collaborer sur la thermodynamique quantique par résonance magnétique nucléaire.

"Actuellement, nous menons une coopération expérimentale avec trois groupes théoriques, impliquant la thermodynamique quantique, la théorie de l'information, la théorie des ressources et de nombreux autres domaines de la thermodynamique au sens large. Récemment, l'article avec lequel nous avons collaboré avec l'équipe de la City University de Hong Kong vient d'être accepté. par PRL." Lu Dawei a fait la déclaration finale.

Les références:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.PRL 129, 100603 (2022)

3.Nat. Mat. 21,1099 (2022)

4. Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... & Lu, D. (2024). Réalisation expérimentale de la réfrigération quantique autonome. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Opération/composition : He Chenlong

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