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中国科学技術大学ジュニアクラスの元メンバーである南方科技大学の陸大偉教授は、同僚たちの目にはおそらく「少年から生まれた英雄」のような存在だろう。

しかし、学部時代の経験を振り返って、彼は次のように認めた。「大学では朝、自分のコントロールを失いやすいのです。」

しかし、彼は中国科学技術大学で学士号と博士号を取得し、カナダのウォータールー大学で博士研究員を終えた後、中国に戻り、科学者になるために南方科学技術大学に入学しました。

同時に、彼は教師として、自分と同じような若い才能、ファン・ケイイーを育てました。

少し前に、Lu Dawei を責任著者、Huang Keyi を筆頭著者とする論文が、トップ物理学雑誌 Physical Review Letters に掲載されました。この論文を完成した時点では、Huang Keyi はまだ学部生でした。

それで、この論文は何について書かれているのでしょうか？報道によると、核磁気共鳴量子システムを利用することで、「自給自足型」量子冷凍（冷凍機）の原理を検証した。

図 | 左から右へ: 論文の筆頭著者である Huang Keyi と論文の責任著者である Lu Dawei (出典: Lu Dawei)

研究チームは、3 つの原子間の特定の形式の「三体」相互作用を設計および制御することにより、この「自給自足型」量子冷蔵庫を構築しました。

原子の 1 つを冷却するために冷凍サイクル全体で追加のエネルギーは必要ありません (コンセントに接続する必要のない従来の冷蔵庫と同様)。

これは、微視的な量子の世界に特有の現象であるだけでなく、熱力学の古典的な法則にも違反しません。

応用の見通しについて、陸大偉氏は「実用的な量子冷蔵庫は当面は間違いなく構築されないだろう。同時に、そのような装置を実現することの難しさは、万能量子コンピュータの構築に劣らないと思う」と述べた。しかし、査読者が述べたように、この方法を量子コンピューターの量子ビットの冷却に使用することは、依然として非常に有望です。 」

(出典: フィジカルレビューレター)

物理学の「モンスター」から始めましょう

報告によると、古典的熱力学は巨視的な系を研究し、多数の粒子の平均的な挙動を記述し、ニュートン力学と統計力学の法則に従います。

ここから、人々は温度、内部エネルギー、エントロピーなどの一連の巨視的な量を定義し、熱伝達や仕事の解析を通じて熱機関や冷凍機などの機器を発明しました。

量子熱力学では、微視的な量子系、特に少数の粒子しか含まない系を研究します。

これは、量子状態の重ね合わせ、もつれ、測定を含む量子力学の基本原理に基づいています。 これは、量子熱力学が古典的熱力学とは根本的に異なるものとなり、また、ほぼすべての古典的熱力学量を再定義する必要があることも意味します。

たとえば、古典的なシリンダー ピストン モデルでは、仕事はピストンの動きによって定義できます。ピストンがガスを圧縮するときは「正の仕事」を行い、ガスがピストンを押しのけるときは「負の仕事」を行います。 」。

量子の世界には、少数の粒子の量子状態と、それらの進化を支配するシュレーディンガー方程式だけが存在します。このとき、仕事とは、量子の状態が変わらないときの系のエネルギーの変化として定義され、エネルギーが増加することを「正の仕事」、その逆を「負の仕事」といいます。

量子と古典的な仕事の違いは定義だけではありません。量子の世界では仕事と情報の間にも密接な関係があり、それは有名な「マクスウェルの悪魔」のパラドックスに反映されています。

1867 年、英国の科学者ジェームス クラーク マクスウェルは、熱は常に高温の物体から低温の物体へ自然に流れるという熱力学の第 2 法則を調査し、これに異議を唱える実験を提案しました。

マクスウェルは小さな「悪魔」を想像し、それが2つのガス室を隔てる出入り口を守っていると想像した。 2 つのガス室の初期温度は同じです。つまり、熱平衡状態にあります。

「マクスウェルの悪魔」は、各気体分子の速度を観測し、ドアの開閉を制御することができます。悪魔は、左の部屋から右の部屋に高速で移動する分子を見ると、ドアを開けて分子を通過させます。

悪魔は、右の部屋から左の部屋へゆっくりと移動する分子を見ると、ドアを開けて分子を通過させます。

このような操作を通じて、「悪魔」は、速い分子を右側のチャンバーに、遅い分子を左側のチャンバーに集中させ、それによって右側のチャンバーの温度を上げ、左側のチャンバーの温度を下げることができます。

これは、熱力学第二法則に違反していると思われます。なぜなら、もともと熱平衡にあった 2 つのガス室が、実際には「悪魔」の導きによって高温領域と低温領域の分離を実現したからです。

このため、「マクスウェルの悪魔」実験は学術界で広範な議論と研究を引き起こし、熱力学と情報理論の関係についての理解を広げました。

現代の物理学者は、「マクスウェルの悪魔」は分子を観察したり、ドアの開閉を決定したりするときに情報を必要とするため、熱力学第二法則に違反していないと信じている。

この情報の処理自体には作業が必要で、特に「悪魔」が情報を消去するとエントロピーが増加し、システムのエントロピーの減少を補うことができます。

これに基づいて、「マクスウェルの悪魔」実験は熱力学における情報理論の応用を促進し、情報処理と物理プロセスの間の深い関係を明らかにし、量子熱力学の発展の基礎を築きました。

量子熱力学における量子系の熱力学プロセスには、主に量子状態の制御と測定、つまり「量子情報」の処理が含まれます。

量子状態のエントロピーを定義することにより、学術コミュニティは量子情報と熱力学の間の関係を徐々に確立してきました。これは、「マクスウェルの悪魔」によって記録された情報とエントロピーの変化に似ています。

同時に、量子情報理論が、量子コヒーレンス、量子もつれ、量子測定、その他の新しい量子リソースなど、量子熱力学の研究を支援できる一連のツールや技術を提供することもわかってきました。

たとえば、熱機関や冷蔵庫の効率は、量子もつれなどのリソースを通じて改善できます。

量子熱力学の実験研究が議題に上る

量子情報は熱力学の発展に全く新しい可能性をもたらす可能性がありますが。しかし、実際の量子システムにおける量子熱力学理論を探索し検証するには、まだ多くの課題があります。

幸いなことに、過去 20 年間、学術コミュニティによる量子情報技術への継続的な投資により、人々は量子システムを制御できるようになり、量子コンピューティング、量子通信、量子などの分野で実験結果を達成しました。大きな進歩を遂げた精密測定。

そうなると、同じく量子情報処理をコア技術とする量子熱力学に関する実験研究も高度化するのは当然である。

量子熱力学の研究のホットスポットは、量子熱エンジン/冷凍機です。

量子冷蔵庫を例にとると、その基本的な機能は古典的な冷蔵庫と同じで、冷たい物体から熱を吸収し、その熱をより熱い環境に放出して冷却を実現します。

ただし、古典的な冷蔵庫とは異なり、量子冷蔵庫は量子情報処理を使用してこの冷凍プロセスを実現します。その中で、さまざまな豊富な量子リソースがこのプロセスを支援します。

そして、量子システムを精密に制御し、これらの量子資源を用意して有効利用することができれば、量子冷凍機を実験的に実現することができる。

核磁気共鳴量子システムは、Lu Dawei チームの主な研究方向の 1 つであり、原子核と磁場の共鳴現象を研究することです。

報告によれば、原子核が持つスピン情報は制御することも読み出すこともできるという。実際、これは古くて新しいテクノロジーです。

核磁気共鳴現象を発見したのは、映画「オッペンハイマー」の助演俳優イシドール・アイザック・ラビであり、1944年にノーベル物理学賞を受賞したため、その開発は100年近くも前から行われているといわれています。

現代の核磁気共鳴技術は、人間の水分子中の水素原子を検出することで患者の健康状態を判断する、健康診断に欠かせない「鋭利なツール」となっています。

量子システムの機能としての核磁気共鳴は、まだ 20 年以上しか開発されていないため、新しいと言われています。

実際、量子情報の分野において、核磁気共鳴は先駆的な実験プラットフォームです。

量子情報を原子核のスピンにエンコードし、磁場を介して制御して読み取ることで、さまざまな量子情報タスクを完了し、多くの素晴らしい量子現象を明らかにすることができます。

2007 年に博士号を取得して以来、Lu Dawei は 20 年近くにわたってこの方向に取り組んできました。

2012 年、Lu Dawei は博士研究員としてカナダに来て、そこで「自給自足型」量子冷蔵庫の理論に関する論文を読みました [1]。

そのとき彼は、三体のインタラクションというアイデアが非常に巧みだと感じた。しかし、博士研究員時代は核磁気共鳴量子コンピューティングを主に研究していたため、量子ビット数と制御精度の向上に主力を注いでいました。

2017 年、Lu Dawei 氏は南方科学技術大学に加わり、独立した組織を設立しました。超伝導回路やイオントラップなどの量子システムの発展に伴い、量子コンピュータを実現するために核磁気共鳴システムを使用することの欠点は拡大し続けています。

2020年、Lu Daweiは量子熱力学に関する総説論文を偶然読みました。これを読んだ後、核磁気共鳴は量子熱力学の研究に非常に適していることに突然気づきました。

結局のところ、このシステムは実際の原子および分子スケールで熱力学を研究するものであり、室温やアンサンブルなど多くの独自の利点もあります。

「それは人々に小説『三体問題』のような感覚を与える」

当時、グループ内の大学院生は全員他の仕事を持っていたため、Lu Dawei はグループに 2 人の学部生、3 年生の Zhu Xuanran と 2 年生の Huang Keyi を引き入れました。

その後、彼らは核磁気共鳴を利用して「無限の因果秩序」を持つ量子冷蔵庫を実現した。

「因果順序不定」は、2つの事象AとBの発生順序を共存させる素晴らしい量子資源です。

つまり、古典的な世界では、B の前に A、または A の前に B のみが許可されますが、量子の世界では、これら 2 つの順序の「同時」の存在が許可されます。

NMR装置では、研究チームは、この「不確定な因果順序」を実現するためにクロトン酸分子内の 4 つの炭素原子を使用し、それを量子冷凍プロセスを駆動して量子冷凍機を実現するための量子リソースとして使用しました。

2022 年に、関連論文が Physical Review Letters に掲載される予定です [2]。

陸大偉氏は、「当時この論文の共著者だった朱玄蘭氏はすでに卒業していたが、実際には奨学金を申請するのに役立たなかった。しかし、金は常に輝き続ける。彼は後に香港政府の奨学金を受け取り、現在は香港科技大学で博士号取得を目指しています。」

同時に、この2022年の論文も大きな波紋を呼んだ。著名な科学書の作家であり、王立協会科学図書賞を受賞したフィリップ・ボール博士は、Nature Materials コラム [3] で Lu Dawei の研究グループの実験を具体的に紹介しました。

2024 年、チームは別の量子リソースである三体相互作用を研究しました。この効果は少し SF っぽく聞こえ、人々に「三体」小説の感覚を与えます。

実際、よく知られている静電気 (クーロン) 力でも重力でも、それらは 2 つの物体間の効果です。量子の世界でも、自然な三体相互作用はまだ存在しません。

(出典: フィジカルレビューレター)

しかし、この三体作用が構築されると、様々な興味深い現象が起こります。

たとえば、10 年以上前、英国のブリストル大学の研究者は、三体相互作用による「自給自足の」量子冷凍を構想しました。

2024 年に Lu Dawei のチームによって実施された実験は、まさに上記の考えを検証しました。

つまり、クロトン酸に含まれる3つの炭素原子を利用し、核磁気共鳴量子システムによって開発されたさまざまな制御手法を組み合わせることで、実験計画に必要な三体相互作用を変調することに成功した。

研究中、彼らは全プロセス中の仕事と熱の変化を測定し、実際に量子システムに正味のエネルギーが入力されていないことを発見した。

さらに、標的原子の温度変化も追跡しました。冷却が進行するにつれて、対象原子の温度が自然に低下していることがわかりました。

「学術界はこれを理論的に長い間予測していましたが、この現象が実際に実験的に観察されたとき、それはかなりの達成感を感じます。」とLu Dawei氏は語った。

最近、関連する論文が「自己完結型量子冷凍の実験的実現」というタイトルで Physical Review Letters [4] に掲載されました。

南方科技大学の学部生であるHuang Keyi氏が筆頭著者で、南方科技大学のLu Dawei教授とNie Xinfang助教授が共同責任著者となっている。

図 | 関連論文 (出典: Physical Review Letters)

わざと「欠点を売り込む」ように原稿を投稿したのですが、査読者は親切に指摘してくれました。

Lu Dawei 氏は次のように述べています。「私たちは本当に幸運です。PRL の査読者は 2 人とも、非常に肯定的な査読意見をくれました。実際、量子熱力学研究、特にこの実験のニッチな性質のため、私はすでに原稿を準備し、査読しました。人々は準備を進めています。」長期にわたる綱引きのために、さらには意図的に本文の「欠陥を売り込む」ことさえある。」

その結果、レビュー担当者の 1 人がこの欠陥を発見しただけでなく、この「欠陥」に対する解決策の提案を率先して支援することになりました。

「レビューのコメントを見たとき、とてもうれしかっただけでなく、少し唖然としました。子供の頃に何か悪いことをして、それを故意に隠していたように感じましたが、母が親切にそれを指摘してくれました。」言った。

さらに、査読者は、量子熱力学に関するこの実験的研究は重要かつ新規であると信じています。さらに、Lu Dawei がさらに賞賛したのは、審査員が結果の応用可能性まで考えてくれたことです。

査読者は、現在の量子冷凍機は原理の証明にすぎず、短期的には実質的な応用はできないだろうと考えている。

しかし、量子冷凍技術は実際に量子ビットをさらに冷却し、量子コンピューティングプロセスにおけるエラー率を抑制することができます。

査読者のアイデアに従って、Lu Dawei らは、量子コンピューティングの初期化に三体相互作用冷凍を使用するための理論的枠組みを提案しました。

「この感覚は、チューターの配慮と指導を受けた大学院生のようなものです。PRL の査読者の方々には本当に感謝しています。彼らの学術レベルは非常に高く、洞察力も非常に高く、私たちをさらに深くしてくれました。科学的な議論と協力の重要性を認識している」とルー・ダウェイ氏は語った。

(出典: フィジカルレビューレター)

前述したように、Huang Keyi はこの 2024 年の論文の最初の著者です。この学部生に対して、家庭教師の陸大偉は彼を高く評価した。

Lu Dawei 氏は、この調査の開始時に、20 年以上前の古い機器を見つけるのに 5 万元を費やしたと述べました。

そのとき、彼は生徒たちに、この器具はみんなで練習できるように残しておいてもよいと言いました。それから彼は、箱の底にあった「自給自足型」量子冷蔵庫の理論に関する論文も黄格儀と共有した。

ルー・ダウェイはファン・キーイに「実験の仕方を学んでいるのだから、実験はしないでください。どんな新しいことをしても、少なくともそれは結果です。蚊の足も肉です。」と言いました。

予想外にも、Huang Keii の実行能力は優れており、スワイプですべての詳細を明らかにし、同時に楽器を学び、実験も行いました。 「その後、彼が大学院の2年生のときに、最初の第一著者のPRL論文を手に入れました。」とLu Daweiは言いました。

しかし、この分野における量子熱力学に関する実験研究はまだ比較的少数です。論文の発表後、理論物理学の同僚からの連絡が増え、さらにこれらの同僚は核磁気共鳴量子熱力学についても共同研究をしたいとの意向を表明した。

「現在、私たちは3つの理論グループと実験協力を行っており、量子熱力学、情報理論、資源理論など幅広い熱力学分野をカバーしています。最近、香港城市大学チームと共同研究した論文がPRLに受理されました。 」と陸大偉氏は最終声明を発表した。

参考文献:

1.PRL 105、130401（2010）

2.PRL 129、100603（2022）

3. ナチュラリスト 21,1099 (2022)

4.Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... & Lu, D. (2024). 自己完結型量子冷凍の実験的実現.Physical Review Letters, 132(21), 210403.

運営・組版：何チェンロン

01/ 香港市のチームは、特殊なシナリオでの淡水処理に使用できる新しいタイプのナノ層膜を開発し、二次元材料の応用のブレークスルーを見つけます。

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03/ 科学者は、弱い信号を正確に検出でき、個々の核スピンの検出と制御に使用できる量子センシング制御の新しい方法を作成します。

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