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In quanto ex membro della classe Junior dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, il professor Lu Dawei della Southern University of Science and Technology è probabilmente una sorta di "eroe nato da un ragazzo" agli occhi dei suoi coetanei.

Anche se, ripensando alla sua esperienza universitaria, ha ammesso: "È davvero facile perdere il controllo di se stessi al mattino al college".

Ma ha comunque conseguito una laurea e un dottorato presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina. Dopo aver completato la ricerca post-dottorato presso l'Università di Waterloo in Canada, è tornato in Cina e si è unito alla Southern University of Science and Technology per diventare uno scienziato.

Allo stesso tempo, come insegnante, ha anche formato un giovane talento come lui: Huang Keyi.

Non molto tempo fa, un articolo con Lu Dawei come autore corrispondente e Huang Keyi come primo autore è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista di fisica Physical Review Letters. Al momento della stesura di questo articolo, Huang Keyi era solo uno studente universitario.

Allora, di cosa tratta questo documento? Secondo i rapporti,Utilizzando sistemi quantistici a risonanza magnetica nucleare, hanno verificato il principio di una refrigerazione quantistica (frigorifero) "autosufficiente".

Figura | Da sinistra a destra: Huang Keyi, il primo autore dell'articolo, e Lu Dawei, l'autore corrispondente dell'articolo (Fonte: Lu Dawei)

Progettando e regolando una forma specifica di interazione “a tre corpi” tra tre atomi, il gruppo di ricerca ha costruito questo frigorifero quantistico “autosufficiente”.

Non è necessaria alcuna energia aggiuntiva nell'intero ciclo di refrigerazione per raffreddare uno degli atomi (simile a un classico frigorifero che non necessita di essere collegato alla presa di corrente).

Questo non è solo un fenomeno esclusivo del mondo quantistico microscopico, ma non viola nemmeno le leggi classiche della termodinamica.

Per quanto riguarda le prospettive applicative, Lu Dawei ha detto: "Per il momento non verrà sicuramente costruito un frigorifero quantistico pratico. Allo stesso tempo, penso che la difficoltà di realizzare un dispositivo del genere non sia inferiore a quella di costruire un computer quantistico universale". Ma come ha affermato il revisore, l’utilizzo di questo metodo per raffreddare i qubit nei computer quantistici è ancora molto promettente. "

(Fonte: lettere di revisione fisica)

Cominciamo con i “mostri” della fisica

Secondo i rapporti, la termodinamica classica studia un sistema macroscopico, descrive il comportamento medio di un gran numero di particelle e segue le leggi della meccanica newtoniana e della meccanica statistica.

Da ciò, le persone definirono una serie di quantità macroscopiche come la temperatura, l’energia interna e l’entropia, e inventarono apparecchiature come motori termici e frigoriferi attraverso il trasferimento di calore e l’analisi del lavoro.

La termodinamica quantistica studia i sistemi quantistici microscopici, in particolare i sistemi con solo poche particelle.

Si basa sui principi di base della meccanica quantistica, che coinvolgono la sovrapposizione, l'entanglement e la misurazione degli stati quantistici. Ciò rende la termodinamica quantistica fondamentalmente diversa dalla termodinamica classica e significa anche che quasi tutte le quantità termodinamiche classiche devono essere ridefinite.

Ad esempio, nel classico modello cilindro-pistone, il lavoro può essere definito dal movimento del pistone. Quando il pistone comprime il gas, compie "lavoro positivo", mentre quando il gas spinge via il pistone, compie "lavoro negativo". ".

Nel mondo quantistico esistono solo gli stati quantistici di poche particelle e l’equazione di Schrödinger che ne governa l’evoluzione. Attualmente, il lavoro è definito come la variazione dell'energia del sistema quando lo stato quantistico rimane invariato. Un aumento di energia è "lavoro positivo" e viceversa è "lavoro negativo".

La differenza tra lavoro quantistico e classico non è solo nella definizione. Esiste anche una stretta connessione tra lavoro e informazione nel mondo quantistico, che si riflette nel famoso paradosso del "Demone di Maxwell".

Nel 1867, lo scienziato britannico James Clerk Maxwell propose un esperimento per esplorare e sfidare la seconda legge della termodinamica, che afferma che il calore fluisce sempre spontaneamente da un oggetto ad alta temperatura a un oggetto a bassa temperatura.

Maxwell immaginò un minuscolo "demone" e lo immaginò a guardia di una porta che separava due camere a gas. Le temperature iniziali delle due camere a gas sono le stesse, cioè sono in equilibrio termico.

Il "Demone di Maxwell" può osservare la velocità di ogni molecola di gas e controllare l'apertura e la chiusura della porta. Quando il demone vede una molecola muoversi velocemente dalla camera sinistra alla camera destra, apre la porta e lascia passare la molecola.

Quando il demone vede una molecola muoversi lentamente dalla camera destra alla camera sinistra, apre anche la porta e lascia passare la molecola.

Attraverso tali operazioni, il "demone" può concentrare molecole veloci nella camera destra e molecole lente nella camera sinistra, aumentando così la temperatura della camera destra e abbassando la temperatura della camera sinistra.

Ciò sembra violare la seconda legge della termodinamica, perché le due camere a gas, che originariamente erano in equilibrio termico, in realtà realizzarono la separazione delle regioni ad alta e bassa temperatura sotto la guida del "demone".

Per questo motivo, l'esperimento "Il demone di Maxwell" ha innescato ampie discussioni e ricerche nella comunità accademica e ha ampliato la comprensione del rapporto tra termodinamica e teoria dell'informazione.

I fisici moderni credono che il "demone di Maxwell" non violi la seconda legge della termodinamica, perché il "demone" ha bisogno di informazioni quando osserva le molecole e decide di aprire e chiudere le porte.

L'elaborazione di queste informazioni richiede lavoro, soprattutto quando il "demone" cancella le informazioni, l'entropia aumenterà, il che può compensare la diminuzione dell'entropia del sistema.

Su questa base, l'esperimento "Il demone di Maxwell" ha promosso l'applicazione della teoria dell'informazione alla termodinamica, ha rivelato la profonda connessione tra l'elaborazione delle informazioni e i processi fisici e ha gettato le basi per lo sviluppo della termodinamica quantistica.

Nella termodinamica quantistica, il processo termodinamico dei sistemi quantistici prevede principalmente il controllo e la misurazione degli stati quantistici, cioè l'elaborazione delle "informazioni quantistiche".

Definendo l’entropia degli stati quantistici, la comunità accademica ha gradualmente stabilito una connessione tra informazione quantistica e termodinamica. Questo è simile ai cambiamenti di informazione e entropia registrati da "Maxwell's Demon".

Allo stesso tempo, le persone hanno scoperto che la teoria dell’informazione quantistica fornisce una serie di strumenti e tecnologie, come la coerenza quantistica, l’entanglement quantistico, la misurazione quantistica e altre nuove risorse quantistiche, che possono fornire assistenza alla ricerca sulla termodinamica quantistica.

Ad esempio, l’efficienza dei motori termici o dei frigoriferi può essere migliorata attraverso risorse come l’entanglement quantistico.

All'ordine del giorno è stata inserita la ricerca sperimentale sulla termodinamica quantistica

Sebbene l’informazione quantistica possa offrire possibilità completamente nuove allo sviluppo della termodinamica. Tuttavia, ci sono ancora molte sfide da esplorare e verificare la teoria della termodinamica quantistica nei sistemi quantistici reali.

Fortunatamente, negli ultimi due decenni, con il continuo investimento nella tecnologia dell’informazione quantistica da parte della comunità accademica, le persone sono diventate sempre più capaci di controllare i sistemi quantistici e hanno ottenuto risultati sperimentali in campi come l’informatica quantistica, le comunicazioni quantistiche e l’informatica quantistica. misurazione di precisione.

È quindi naturale che la ricerca sperimentale sulla termodinamica quantistica, che utilizza anche l’elaborazione dell’informazione quantistica come tecnologia di base, debba essere potenziata.

Un punto caldo della ricerca nella termodinamica quantistica è il motore termico/frigorifero quantistico.

Prendendo come esempio un frigorifero quantistico, la sua funzione di base è la stessa di un frigorifero classico, ovvero assorbire calore da un oggetto più freddo e quindi rilasciare il calore in un ambiente più caldo per ottenere il raffreddamento.

Tuttavia, a differenza dei frigoriferi classici, i frigoriferi quantistici utilizzano l’elaborazione delle informazioni quantistiche per ottenere questo processo di refrigerazione. Tra questi, varie abbondanti risorse quantistiche possono fornire assistenza a questo processo.

Quindi, se il sistema quantistico può essere controllato con precisione, queste risorse quantistiche possono essere preparate e utilizzate in modo efficace, un frigorifero quantistico può essere realizzato sperimentalmente.

Il sistema quantistico di risonanza magnetica nucleare è una delle principali direzioni di ricerca del team di Lu Dawei, che consiste nello studiare il fenomeno della risonanza dei nuclei atomici e dei campi magnetici.

Secondo i rapporti, le informazioni sullo spin trasportate dai nuclei atomici possono essere controllate e lette. In realtà, questa è una tecnologia vecchia e nuova.

Si dice che sia antico perché il suo sviluppo è durato quasi un secolo. Isidor Isaac Rabi, l'attore non protagonista nel film "Oppenheimer", scoprì il fenomeno della risonanza magnetica nucleare e vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1944.

Oggi, la moderna tecnologia di risonanza magnetica nucleare è diventata uno "strumento affilato" indispensabile per gli esami medici, che consiste nel giudicare la salute dei pazienti rilevando gli atomi di idrogeno nelle molecole d'acqua umane.

Si dice che sia nuovo perché, come funzione dei sistemi quantistici, la risonanza magnetica nucleare è stata sviluppata solo da più di 20 anni.

Infatti, nel campo dell’informazione quantistica, la risonanza magnetica nucleare è una piattaforma sperimentale pionieristica.

Codificando l'informazione quantistica nello spin dei nuclei atomici, e poi controllandola e leggendola attraverso i campi magnetici, è possibile completare vari compiti relativi all'informazione quantistica e rivelare molti meravigliosi fenomeni quantistici.

Dopo aver conseguito il dottorato nel 2007, Lu Dawei ha lavorato in questa direzione per quasi 20 anni.

Nel 2012, Lu Dawei è venuto in Canada come ricercatore post-dottorato, dove ha letto un articolo sulla teoria di un frigorifero quantistico "autosufficiente" [1].

A quel tempo, sentiva che l’idea dell’interazione tra tre corpi era molto intelligente. Tuttavia, poiché durante il suo periodo post-dottorato ha studiato principalmente calcolo quantistico in risonanza magnetica nucleare, ha concentrato le sue principali energie sull’avanzamento del numero di qubit e della precisione del controllo.

Nel 2017, Lu Dawei si è unito alla Southern University of Science and Technology per formare un'organizzazione indipendente. Con lo sviluppo di sistemi quantistici come circuiti superconduttori e trappole ioniche, gli svantaggi dell’utilizzo di sistemi di risonanza magnetica nucleare per realizzare computer quantistici sono stati continuamente amplificati.

Nel 2020, Lu Dawei ha letto per caso un articolo di revisione sulla termodinamica quantistica. Dopo averlo letto, all'improvviso mi sono reso conto che la risonanza magnetica nucleare è molto adatta per studiare la termodinamica quantistica.

Dopotutto, questo sistema studia la termodinamica su scala atomica e molecolare reale e presenta anche molti vantaggi unici come la temperatura ambiente e l'insieme.

"Dà alle persone la sensazione del romanzo "Il problema dei tre corpi"

A quel tempo, tutti gli studenti laureati del gruppo avevano altri compiti, quindi Lu Dawei ha coinvolto due studenti universitari nel gruppo: Zhu Xuanran, uno junior, e Huang Keyi, uno studente del secondo anno.

Successivamente, hanno utilizzato la risonanza magnetica nucleare per realizzare un frigorifero quantistico con “ordine causale indefinito”.

L'"ordine causale indefinito" è una meravigliosa risorsa quantistica che consente la coesistenza dell'ordine di occorrenza di due eventi A e B.

Cioè, il mondo classico consente solo A prima di B, o B prima di A, ma il mondo quantistico consente l'esistenza "simultanea" di questi due ordini.

Sulle apparecchiature NMR,Il team ha utilizzato quattro atomi di carbonio nella molecola dell’acido crotonico per ottenere questo “ordine causale indeterminato” e lo ha utilizzato come risorsa quantistica per guidare il processo di refrigerazione quantistica e realizzare un frigorifero quantistico.

Nel 2022, i documenti correlati saranno pubblicati in Physical Review Letters [2].

Lu Dawei ha detto: "Zhu Xuanran, che all'epoca era il coautore di questo articolo, si era già laureato, il che in realtà non lo ha aiutato a fare domanda per borse di studio. Ma l'oro brillerà sempre. In seguito ha ricevuto una borsa di studio dal governo di Hong Kong e è attualmente presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong per un dottorato di ricerca.”

Allo stesso tempo, anche questo documento del 2022 ha suscitato molto scalpore. Il dottor Philip Ball, noto scrittore di libri scientifici e vincitore del Royal Society Science Book Award, ha introdotto specificamente gli esperimenti del gruppo di ricerca di Lu Dawei nella sua rubrica Nature Materials [3].

Nel 2024, il team ha studiato un’altra risorsa quantistica, l’interazione a tre corpi. Questo effetto suona un po' fantascientifico, dando alle persone la sensazione di un romanzo "a tre corpi".

Infatti, che si tratti della familiare forza elettrostatica (Coulomb) o della forza gravitazionale, sono gli effetti tra due oggetti. Anche nel mondo quantistico non esistono ancora interazioni naturali tra tre corpi.

(Fonte: lettere di revisione fisica)

Tuttavia, una volta costruita questa azione dei tre corpi, si verificano molti fenomeni interessanti.

Ad esempio, più di dieci anni fa, i ricercatori dell’Università di Bristol, nel Regno Unito, immaginavano una refrigerazione quantistica “autosufficiente” attraverso l’interazione di tre corpi.

L'esperimento condotto dal team di Lu Dawei nel 2024 ha appena verificato l'idea di cui sopra.

Cioè, utilizzando i tre atomi di carbonio nell’acido crotonico e combinando vari metodi di controllo sviluppati dal sistema quantistico di risonanza magnetica nucleare, hanno modulato con successo l’interazione a tre corpi richiesta per il piano sperimentale.

Durante lo studio, hanno misurato il lavoro e le variazioni di calore durante l’intero processo e hanno scoperto che in effetti non c’era alcun input di energia netta nel sistema quantistico.

Inoltre, hanno monitorato i cambiamenti di temperatura degli atomi bersaglio. Si è scoperto che con il procedere della refrigerazione, la temperatura degli atomi bersaglio diminuisce spontaneamente.

"Sebbene la comunità accademica lo avesse previsto da tempo in teoria, quando questo fenomeno viene effettivamente osservato sperimentalmente, è un vero senso di realizzazione", ha affermato Lu Dawei.

Recentemente, un articolo correlato è stato pubblicato su Physical Review Letters [4] con il titolo "Realizzazione sperimentale della refrigerazione quantistica autonoma".

Huang Keyi, uno studente universitario della Southern University of Science and Technology, è il primo autore, mentre il professor Lu Dawei e l'assistente professore Nie Xinfang della Southern University of Science and Technology fungono da autori co-corrispondenti.

Figura |. Articoli correlati (Fonte: Physical Review Letters)

Ho deliberatamente "vendo un difetto" quando ho inviato il mio manoscritto, ma sono stato segnalato amichevolmente dal revisore.

Lu Dawei ha detto: "Siamo davvero molto fortunati. Entrambi i revisori di PRL hanno espresso opinioni molto positive. Infatti, a causa della natura di nicchia della ricerca sulla termodinamica quantistica, in particolare di questo esperimento, ho già preparato e rivisto il manoscritto. Le persone si stanno preparando per un tiro alla fune a lungo termine, e persino deliberatamente 'vendere un difetto' nel testo."

Di conseguenza, uno dei revisori non solo ha scoperto questo difetto, ma ha anche preso l'iniziativa per aiutarli a proporre una soluzione a questo "difetto".

"Non solo sono stato molto felice quando ho visto i commenti della recensione, ma mi sono anche sentito un po' sbalordito. Mi sentivo come se avessi fatto qualcosa di sbagliato quando ero bambino e l'avessi deliberatamente nascosto, ma mia madre Lu Dawei me lo ha gentilmente fatto notare." disse.

Inoltre, i revisori ritengono che questo studio sperimentale sulla termodinamica quantistica sia importante e innovativo. Inoltre, ciò che Lu Dawei ha ammirato ancora di più è che i revisori hanno pensato anche alle prospettive di applicazione dei risultati per loro.

Il revisore ritiene che l’attuale frigorifero quantistico sia solo una prova di principio e non avrà applicazioni sostanziali a breve termine.

Tuttavia, la tecnologia della refrigerazione quantistica può effettivamente raffreddare ulteriormente i qubit e sopprimere il tasso di errore nel processo di calcolo quantistico.

Seguendo le idee del revisore, Lu Dawei e altri hanno proposto un quadro teorico per l'utilizzo della refrigerazione con interazione a tre corpi per l'inizializzazione del calcolo quantistico.

"Questa sensazione è come quella di uno studente laureato che ha ricevuto la cura e la guida del tutor. Sono davvero grato ai revisori di PRL. Il loro livello accademico è molto alto e le loro intuizioni sono molto forti. Ci hanno reso più profondamente consapevole dell'importanza della discussione scientifica e della cooperazione", ha detto Lu Dawei.

(Fonte: lettere di revisione fisica)

Come accennato in precedenza, Huang Keyi è il primo autore di questo articolo del 2024. Per questo studente universitario, Lu Dawei, come suo tutore, lo ha elogiato molto.

Lu Dawei ha detto che all'inizio di questa ricerca ha speso 50.000 yuan per trovare un vecchio pezzo di attrezzatura che aveva più di 20 anni.

A quel tempo, disse agli studenti che questa attrezzatura poteva essere lasciata affinché tutti potessero esercitarsi. Poi, ha anche condiviso con Huang Keyi il documento sulla teoria dei frigoriferi quantistici “autosufficienti” che si trovava in fondo alla scatola.

Lu Dawei ha detto a Huang Keyi: "Dato che stai imparando a fare esperimenti, non farlo. Non importa quali cose nuove fai, almeno è un risultato. Anche le zampe di zanzara sono carne".

Inaspettatamente, l'abilità esecutiva di Huang Keyi è stata eccezionale. Ha chiarito tutti i dettagli in un colpo solo e allo stesso tempo ha anche imparato gli strumenti e condotto esperimenti. "Poi, quando era al secondo anno di scuola di specializzazione, ha ricevuto il suo primo articolo PRL, ha detto Lu Dawei."

Tuttavia, ci sono ancora relativamente pochi studi sperimentali sulla termodinamica quantistica nel settore. Dopo la pubblicazione dell'articolo, sono stati contattati da colleghi di fisica teorica. Inoltre, questi colleghi hanno anche espresso la loro volontà di collaborare sulla termodinamica quantistica della risonanza magnetica nucleare.

"Attualmente, stiamo conducendo una cooperazione sperimentale con tre gruppi teorici, che coprono molti ampi campi della termodinamica come la termodinamica quantistica, la teoria dell'informazione e la teoria delle risorse. Recentemente, l'articolo con cui abbiamo collaborato con il team della City University di Hong Kong è stato appena accettato da PRL ." Lu Dawei ha rilasciato la dichiarazione finale.

Riferimenti:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.PRL 129, 100603 (2022)

3.Nazionale Mat. 21,1099 (2022)

4.Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... & Lu, D. (2024). Realizzazione sperimentale della refrigerazione quantistica autosufficiente.Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Operazione/composizione: He Chenlong

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