berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Sebagai mantan anggota Kelas Junior Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, Profesor Lu Dawei dari Universitas Sains dan Teknologi Selatan mungkin adalah semacam "pahlawan yang lahir dari seorang anak laki-laki" di mata teman-temannya.

Meskipun ketika mengingat kembali pengalaman sarjananya, dia mengakui: "Sangat mudah untuk kehilangan kendali atas diri Anda sendiri di perguruan tinggi di pagi hari."

Namun ia tetap memperoleh gelar sarjana dan doktor dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok. Setelah menyelesaikan penelitian pascadoktoral di Universitas Waterloo di Kanada, ia kembali ke Tiongkok dan bergabung dengan Universitas Sains dan Teknologi Selatan untuk menjadi ilmuwan.

Di saat yang sama, sebagai seorang guru, ia juga melatih bakat muda seperti dirinya-Huang Keyi.

Belum lama ini, sebuah makalah dengan Lu Dawei sebagai penulis koresponden dan Huang Keyi sebagai penulis pertama diterbitkan di jurnal fisika terkemuka Physical Review Letters. Pada saat menyelesaikan makalah ini, Huang Keyi masih seorang mahasiswa sarjana.

Jadi, tentang apa makalah ini? Menurut laporan,Dengan menggunakan sistem kuantum resonansi magnetik nuklir, mereka memverifikasi prinsip pendinginan kuantum (lemari es) yang "swasembada".

Gambar |. Dari kiri ke kanan: Huang Keyi, penulis pertama makalah ini, dan Lu Dawei, penulis koresponden makalah tersebut (Sumber: Lu Dawei)

Dengan merancang dan mengatur bentuk spesifik interaksi “tiga benda” antara tiga atom, tim peneliti membangun lemari es kuantum “swasembada” ini.

Tidak diperlukan energi tambahan di seluruh siklus pendinginan untuk mendinginkan salah satu atom (mirip dengan lemari es klasik yang tidak perlu dicolokkan ke listrik).

Ini bukan hanya fenomena unik di dunia kuantum mikroskopis, tetapi juga tidak melanggar hukum klasik termodinamika.

Mengenai prospek penerapannya, Lu Dawei berkata: "Kulkas kuantum praktis pasti tidak akan dibuat untuk saat ini. Pada saat yang sama, saya pikir kesulitan untuk mewujudkan perangkat semacam itu tidak kalah dengan membangun komputer kuantum universal." Namun seperti yang dikatakan pengulas, penggunaan metode ini untuk mendinginkan qubit di komputer kuantum masih sangat menjanjikan. "

(Sumber: Surat Tinjauan Fisik)

Mari kita mulai dengan “monster” dalam fisika

Menurut laporan, termodinamika klasik mempelajari sistem makroskopis, menggambarkan perilaku rata-rata sejumlah besar partikel, dan mengikuti hukum mekanika Newton dan mekanika statistik.

Dari sini, orang mendefinisikan serangkaian besaran makroskopis seperti suhu, energi internal, dan entropi, dan menemukan peralatan seperti mesin panas dan lemari es melalui perpindahan panas dan analisis kerja.

Termodinamika kuantum mempelajari sistem kuantum mikroskopis, terutama sistem yang hanya memiliki sedikit partikel.

Hal ini bergantung pada prinsip dasar mekanika kuantum, yang melibatkan superposisi, keterjeratan, dan pengukuran keadaan kuantum. Hal ini membuat termodinamika kuantum secara fundamental berbeda dari termodinamika klasik, dan juga berarti bahwa hampir semua besaran termodinamika klasik perlu didefinisikan ulang.

Misalnya, pada model silinder-piston klasik, usaha dapat ditentukan oleh gerakan piston. Saat piston menekan gas, ia melakukan "usaha positif", dan saat gas mendorong piston menjauh, ia melakukan "usaha negatif". ".

Di dunia kuantum, hanya ada keadaan kuantum dari beberapa partikel dan persamaan Schrödinger yang mengatur evolusinya. Pada saat ini, usaha didefinisikan sebagai perubahan energi sistem ketika keadaan kuantum tetap tidak berubah. Peningkatan energi disebut “usaha positif”, dan sebaliknya disebut “usaha negatif”.

Perbedaan antara karya kuantum dan karya klasik bukan hanya pada definisinya. Ada juga hubungan erat antara karya dan informasi di dunia kuantum, yang tercermin dalam paradoks "Iblis Maxwell" yang terkenal.

Pada tahun 1867, ilmuwan Inggris James Clerk Maxwell mengusulkan eksperimen untuk mengeksplorasi dan menantang hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa panas selalu mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah.

Maxwell membayangkan "setan" kecil dan membayangkannya menjaga pintu yang memisahkan dua kamar gas. Suhu awal kedua kamar gas adalah sama, yaitu berada dalam kesetimbangan termal.

"Iblis Maxwell" dapat mengamati kecepatan setiap molekul gas dan mengontrol buka tutup pintu. Ketika iblis melihat molekul cepat bergerak dari ruang kiri ke ruang kanan, ia membuka pintu dan membiarkan molekul itu lewat.

Ketika iblis melihat molekul lambat bergerak dari ruang kanan ke ruang kiri, ia juga membuka pintu dan membiarkan molekul itu lewat.

Melalui operasi seperti itu, "iblis" dapat memusatkan molekul cepat ke dalam ruang kanan dan memperlambat molekul ke dalam ruang kiri, sehingga meningkatkan suhu ruang kanan dan menurunkan suhu ruang kiri.

Hal ini sepertinya melanggar hukum kedua termodinamika, karena kedua kamar gas yang semula berada dalam kesetimbangan termal, justru mewujudkan pemisahan daerah bersuhu tinggi dan bersuhu rendah di bawah bimbingan "setan".

Oleh karena itu, eksperimen "Iblis Maxwell" memicu diskusi dan penelitian ekstensif di kalangan akademisi, dan memperluas pemahaman tentang hubungan antara termodinamika dan teori informasi.

Fisikawan modern percaya bahwa "setan Maxwell" tidak melanggar hukum kedua termodinamika, karena "setan" membutuhkan informasi ketika mengamati molekul dan memutuskan untuk membuka dan menutup pintu.

Pemrosesan informasi ini sendiri membutuhkan usaha, terutama ketika "iblis" menghapus informasi, entropi akan meningkat, yang dapat menggantikan penurunan entropi sistem.

Berdasarkan hal ini, eksperimen "Iblis Maxwell" mempromosikan penerapan teori informasi dalam termodinamika, mengungkapkan hubungan mendalam antara pemrosesan informasi dan proses fisik, dan meletakkan dasar bagi pengembangan termodinamika kuantum.

Dalam termodinamika kuantum, proses termodinamika sistem kuantum terutama melibatkan pengendalian dan pengukuran keadaan kuantum, yaitu pemrosesan "informasi kuantum".

Dengan mendefinisikan entropi keadaan kuantum, komunitas akademis secara bertahap membangun hubungan antara informasi kuantum dan termodinamika. Ini mirip dengan informasi dan perubahan entropi yang dicatat oleh "Maxwell's Demon".

Pada saat yang sama, orang-orang telah menemukan bahwa teori informasi kuantum menyediakan serangkaian alat dan teknologi, seperti koherensi kuantum, keterikatan kuantum, pengukuran kuantum, dan sumber daya kuantum baru lainnya, yang dapat memberikan bantuan pada penelitian termodinamika kuantum.

Misalnya, efisiensi mesin panas atau lemari es dapat ditingkatkan melalui sumber daya seperti keterjeratan kuantum.

Penelitian eksperimental tentang termodinamika kuantum telah dimasukkan dalam agenda

Meskipun informasi kuantum dapat membawa kemungkinan baru bagi perkembangan termodinamika. Namun, masih banyak tantangan untuk mengeksplorasi dan memverifikasi teori termodinamika kuantum dalam sistem kuantum sebenarnya.

Untungnya, dalam dua dekade terakhir, dengan investasi berkelanjutan dalam teknologi informasi kuantum oleh komunitas akademis, manusia menjadi semakin mampu mengendalikan sistem kuantum, dan telah mencapai hasil eksperimental di berbagai bidang seperti komputasi kuantum, komunikasi kuantum, dan kuantum. pengukuran presisi. Terobosan besar.

Maka wajar jika penelitian eksperimental termodinamika kuantum, yang juga menggunakan pemrosesan informasi kuantum sebagai teknologi intinya, harus ditingkatkan.

Pusat penelitian dalam termodinamika kuantum adalah mesin panas kuantum/kulkas.

Mengambil contoh lemari es kuantum, fungsi dasarnya sama dengan lemari es klasik, yaitu menyerap panas dari benda yang lebih dingin dan kemudian melepaskan panas tersebut ke lingkungan yang lebih panas untuk mencapai pendinginan.

Namun, tidak seperti lemari es klasik, lemari es kuantum menggunakan pemrosesan informasi kuantum untuk mencapai proses pendinginan ini. Diantaranya, berbagai sumber daya kuantum yang melimpah dapat membantu proses ini.

Kemudian, jika sistem kuantum dapat dikontrol secara tepat, sumber daya kuantum ini dapat disiapkan dan dimanfaatkan secara efektif, maka lemari es kuantum dapat diwujudkan secara eksperimental.

Sistem kuantum resonansi magnetik nuklir merupakan salah satu arahan penelitian utama tim Lu Dawei, yaitu mempelajari fenomena resonansi inti atom dan medan magnet.

Menurut laporan, informasi putaran yang dibawa oleh inti atom dapat dikontrol dan dibaca. Faktanya, ini adalah teknologi lama dan baru.

Dikatakan kuno karena perkembangannya telah melewati hampir satu abad. Isidor Isaac Rabi, pemeran pendukung film "Oppenheimer", menemukan fenomena resonansi magnetik nuklir.

Saat ini, teknologi resonansi magnetik nuklir modern telah menjadi "alat tajam" yang sangat diperlukan untuk pemeriksaan kesehatan, yaitu menilai kesehatan pasien dengan mendeteksi atom hidrogen dalam molekul air manusia.

Dikatakan baru karena sebagai fungsi sistem kuantum, resonansi magnetik nuklir baru dikembangkan selama lebih dari 20 tahun.

Faktanya, di bidang informasi kuantum, resonansi magnetik nuklir adalah platform eksperimental perintis.

Dengan menyandikan informasi kuantum ke dalam putaran inti atom, lalu mengendalikan dan membacanya melalui medan magnet, berbagai tugas informasi kuantum dapat diselesaikan dan banyak fenomena kuantum yang menakjubkan dapat terungkap.

Sejak belajar untuk gelar Ph.D. pada tahun 2007, Lu Dawei telah bekerja ke arah ini selama hampir 20 tahun.

Pada tahun 2012, Lu Dawei datang ke Kanada sebagai mahasiswa pascadoktoral, di mana ia membaca artikel tentang teori lemari es kuantum "swasembada" [1].

Saat itu, ia merasa ide interaksi tiga tubuh sangat cerdas. Namun, karena ia terutama mempelajari komputasi kuantum resonansi magnetik nuklir selama periode pascadoktoralnya, ia memfokuskan energi utamanya pada peningkatan jumlah qubit dan akurasi kontrol.

Pada tahun 2017, Lu Dawei bergabung dengan Universitas Sains dan Teknologi Selatan untuk membentuk organisasi independen. Dengan berkembangnya sistem kuantum seperti sirkuit superkonduktor dan perangkap ion, kelemahan penggunaan sistem resonansi magnetik nuklir untuk mewujudkan komputer kuantum terus diperbesar.

Pada tahun 2020, Lu Dawei membaca makalah ulasan tentang termodinamika kuantum secara kebetulan. Setelah membacanya, tiba-tiba saya sadar bahwa resonansi magnetik nuklir sangat cocok untuk mempelajari termodinamika kuantum.

Bagaimanapun, sistem ini mempelajari termodinamika pada skala atom dan molekul yang sebenarnya, dan juga memiliki banyak keunggulan unik seperti suhu ruangan dan ansambel.

"Ini memberi orang perasaan seperti novel "Masalah Tiga Tubuh"

Pada saat itu, semua mahasiswa pascasarjana dalam kelompok memiliki tugas lain, jadi Lu Dawei memasukkan dua mahasiswa sarjana ke dalam kelompok: Zhu Xuanran, seorang junior, dan Huang Keyi, seorang mahasiswa tahun kedua.

Kemudian, mereka menggunakan resonansi magnetik nuklir untuk mewujudkan lemari es kuantum dengan "urutan sebab akibat yang tidak terbatas".

"Urutan sebab akibat yang tidak terbatas" adalah sumber kuantum luar biasa yang memungkinkan urutan terjadinya dua peristiwa A dan B hidup berdampingan.

Artinya, dunia klasik hanya mengizinkan A sebelum B, atau B sebelum A, namun dunia kuantum mengizinkan keberadaan kedua tatanan ini secara "simultan".

Pada peralatan NMR,Tim menggunakan empat atom karbon dalam molekul asam crotonic untuk mencapai "urutan sebab akibat tak tentu" ini dan menggunakannya sebagai sumber daya kuantum untuk mendorong proses pendinginan kuantum dan mewujudkan lemari es kuantum.

Pada tahun 2022, makalah terkait akan diterbitkan dalam Physical Review Letters [2].

Lu Dawei berkata: "Zhu Xuanran, yang merupakan salah satu penulis makalah ini pada saat itu, telah lulus, yang sebenarnya tidak membantunya mengajukan beasiswa. Namun emas akan selalu bersinar. Dia kemudian menerima beasiswa pemerintah Hong Kong dan saat ini berada di Hong Kong University of Science and Technology Study untuk meraih gelar Ph.D.”

Di saat yang sama, makalah tahun 2022 ini juga cukup membuat heboh. Philip Ball, seorang penulis buku sains terkenal dan pemenang Royal Society Science Book Award, secara khusus memperkenalkan eksperimen kelompok penelitian Lu Dawei di kolom Nature Materials [3].

Pada tahun 2024, tim mempelajari sumber daya kuantum lainnya, interaksi tiga benda. Efek ini terdengar agak fiksi ilmiah, membuat orang merasa seperti novel "Tiga Tubuh".

Faktanya, apakah itu gaya elektrostatis (Coulomb) atau gaya gravitasi, keduanya merupakan efek antara dua benda. Bahkan di dunia kuantum, interaksi alami tiga benda masih belum ada.

(Sumber: Surat Tinjauan Fisik)

Namun, begitu aksi tiga benda ini dikonstruksi, banyak fenomena menarik yang terjadi.

Misalnya, lebih dari satu dekade lalu, para peneliti di Universitas Bristol di Inggris membayangkan pendinginan kuantum “swasembada” melalui interaksi tiga benda.

Eksperimen yang dilakukan oleh tim Lu Dawei pada tahun 2024 baru saja membuktikan gagasan di atas.

Artinya, dengan menggunakan tiga atom karbon dalam asam crotonat dan menggabungkan berbagai metode kontrol yang dikembangkan oleh sistem kuantum resonansi magnetik nuklir, mereka berhasil memodulasi interaksi tiga benda yang diperlukan untuk rencana eksperimen.

Selama penelitian, mereka mengukur perubahan kerja dan panas selama keseluruhan proses dan menemukan bahwa memang tidak ada masukan energi bersih ke dalam sistem kuantum.

Selain itu, mereka melacak perubahan suhu atom target. Ditemukan bahwa saat pendinginan berlangsung, suhu atom target menurun secara spontan.

“Meskipun komunitas akademis telah lama memperkirakan hal ini secara teori, ketika fenomena ini benar-benar diamati secara eksperimental, ini merupakan suatu pencapaian.”

Baru-baru ini, makalah terkait diterbitkan dalam Physical Review Letters [4] dengan judul "Realisasi Eksperimental dari Pendinginan Kuantum Mandiri".

Huang Keyi, seorang mahasiswa sarjana di Southern University of Science and Technology, adalah penulis pertama, dan Profesor Lu Dawei serta Asisten Profesor Nie Xinfang dari Southern University of Science and Technology bertindak sebagai penulis koresponden.

Gambar |. Makalah terkait (Sumber: Surat Tinjauan Fisik)

Saya sengaja "menjual kekurangannya" ketika saya menyerahkan naskah saya, tetapi ditunjukkan dengan ramah oleh pengulas.

Lu Dawei berkata: "Kami memang sangat beruntung. Kedua reviewer PRL memberikan opini review yang sangat positif. Faktanya, karena sifat khusus penelitian termodinamika kuantum, khususnya eksperimen ini, saya sudah menyiapkan dan mereview naskahnya. Orang-orang sedang mempersiapkan untuk tarik-menarik jangka panjang, dan bahkan dengan sengaja 'menjual kekurangan' dalam teks."

Hasilnya, salah satu reviewer tidak hanya menemukan kekurangan ini, tetapi juga berinisiatif membantu mereka mengusulkan solusi atas "kekurangan" tersebut.

"Saya tidak hanya sangat senang saat melihat komentar ulasan tersebut, tetapi juga merasa sedikit tercengang. Rasanya seperti saya melakukan sesuatu yang salah ketika saya masih kecil dan sengaja menyembunyikannya, tetapi ibu saya dengan baik hati menunjukkannya." dikatakan.

Selain itu, para peninjau percaya bahwa studi eksperimental termodinamika kuantum ini penting dan baru. Selain itu, yang lebih dikagumi Lu Dawei adalah para pengulas bahkan memikirkan prospek penerapan hasilnya bagi mereka.

Peninjau percaya bahwa lemari es kuantum saat ini hanyalah bukti prinsip dan tidak akan memiliki penerapan substansial dalam jangka pendek.

Namun teknologi pendingin kuantum memang dapat lebih mendinginkan qubit dan menekan tingkat kesalahan dalam proses komputasi kuantum.

Mengikuti ide pengulas, Lu Dawei dan yang lainnya mengusulkan kerangka teoritis untuk menggunakan pendinginan interaksi tiga benda untuk inisialisasi komputasi kuantum.

“Perasaan ini seperti seorang mahasiswa pascasarjana yang mendapat perhatian dan bimbingan dari tutornya. Saya sangat berterima kasih kepada para reviewer PRL. Tingkat akademiknya sangat tinggi dan wawasannya sangat kuat. menyadari pentingnya diskusi dan kerja sama ilmiah. Pentingnya." kata Lu Dawei.

(Sumber: Surat Tinjauan Fisik)

Seperti disebutkan sebelumnya, Huang Keyi adalah penulis pertama makalah tahun 2024 ini. Untuk mahasiswa sarjana ini, Lu Dawei sebagai tutornya sangat memujinya.

Lu Dawei mengatakan bahwa pada awal penelitian ini, dia menghabiskan 50.000 yuan untuk menemukan peralatan tua yang berusia lebih dari 20 tahun.

Saat itu, dia memberi tahu para siswa bahwa peralatan ini dapat ditinggal untuk semua orang berlatih. Kemudian, ia juga berbagi dengan Huang Keyi makalah tentang teori lemari es kuantum "swasembada" yang ada di bagian bawah kotak.

Lu Dawei berkata kepada Huang Keyi: "Karena kamu sedang belajar melakukan eksperimen, jangan lakukan itu. Tidak peduli apa pun hal baru yang kamu lakukan, setidaknya itu adalah hasilnya. Kaki nyamuk juga merupakan daging."

Tanpa diduga, kemampuan eksekusi Huang Keyi luar biasa, dia mengklarifikasi semua detail dalam sekejap, dan dia juga mempelajari instrumen dan melakukan eksperimen pada saat yang bersamaan. “Kemudian ketika dia berada di tahun kedua sekolah pascasarjana, dia mendapatkan makalah PRL penulis pertama.”

Namun, studi eksperimental termodinamika kuantum di lapangan masih relatif sedikit. Setelah makalah tersebut diterbitkan, mereka lebih banyak dihubungi oleh rekan-rekan di bidang fisika teoretis. Selain itu, rekan-rekan tersebut juga menyatakan kesediaannya untuk berkolaborasi dalam termodinamika kuantum resonansi magnetik nuklir.

“Saat ini, kami sedang melakukan kerjasama eksperimental dengan tiga kelompok teori, yang mencakup banyak bidang termodinamika yang luas seperti termodinamika kuantum, teori informasi, dan teori sumber daya. Baru-baru ini, makalah yang kami kerjakan dengan tim City University of Hong Kong baru saja diterima oleh PRL ." Lu Dawei membuat pernyataan terakhir.

Referensi:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.PRL 129, 100603 (2022)

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

4.Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... & Lu, D. (2024). Realisasi Eksperimental Pendinginan Kuantum Mandiri. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Pengoperasian/penataan huruf: He Chenlong

01/ Tim Kota Hong Kong mengembangkan membran berlapis nano jenis baru, yang dapat digunakan untuk pengolahan air tawar dalam skenario khusus dan menemukan terobosan dalam penerapan bahan dua dimensi.

02/ Permasalahan kimia selama puluhan tahun telah mendapatkan jawaban yang kredibel. Para ilmuwan telah mengusulkan mekanisme mikroskopis baru untuk pelarutan hidrogen klorida menjadi asam klorida, yang akan mendorong pengembangan berbagai disiplin ilmu.

03/ Para ilmuwan menciptakan metode baru kontrol penginderaan kuantum yang dapat mendeteksi sinyal lemah secara akurat dan dapat digunakan untuk mendeteksi dan mengontrol putaran nuklir individu

04/ Pemenang baru "35 Inovator Teknologi Teratas di Bawah 35 Tahun" dari "MIT Technology Review" di Tiongkok secara resmi diumumkan!Saksikan kekuatan inovatif generasi muda ilmu pengetahuan dan teknologi di Shanghai

05/ Dengan kekuatan dinamis 14GPa, tim Universitas Peking berhasil mengembangkan serat karbon nanotube super kuat, yang dapat digunakan sebagai bahan struktural dan pelindung yang ringan dan berkinerja tinggi