소식

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중국 과학기술대학교 주니어 클래스 출신인 남방과기대학교 루다웨이 교수는 동료들의 눈에는 아마도 일종의 '소년에게서 태어난 영웅'일 것이다.

비록 자신의 학부 시절을 되돌아보면서 그는 "아침에 대학에서 자제력을 잃기가 정말 쉽다"고 인정했습니다.

그러나 그는 여전히 중국 과학 기술 대학에서 학사 학위와 박사 학위를 취득한 후 캐나다 워털루 대학에서 박사후 연구를 마친 후 중국으로 돌아와 과학자가 되기 위해 남부 과학 기술 대학에 합류했습니다.

동시에 그는 교사로서 자신과 같은 젊은 인재, 즉 황계(Huang Keyi)를 양성하기도 했습니다.

얼마 전 Lu Dawei가 교신저자로, Huang Keyi가 제1저자로 참여한 논문이 최고의 물리학 저널인 Physical Review Letters에 게재되었습니다. 이 논문을 작성할 당시 Huang Keyi는 학부생이었습니다.

그렇다면 이 논문은 무엇에 관한 것인가요? 보고서에 따르면,핵자기공명 양자시스템을 이용해 '자급자족' 양자냉동(냉장고) 원리를 검증했다.

그림 | 왼쪽부터: 논문 제1저자 Huang Keyi, 논문 교신저자 Lu Dawei (출처: Lu Dawei)

연구팀은 3개의 원자 사이의 특정 형태의 '3체' 상호작용을 설계하고 조절함으로써 이 '자급자족' 양자 냉장고를 구축했습니다.

원자 중 하나를 냉각하기 위해 전체 냉동 사이클에서 추가 에너지가 필요하지 않습니다(플러그를 연결할 필요가 없는 기존 냉장고와 유사).

이는 미시적인 양자 세계에서만 나타나는 독특한 현상일 뿐만 아니라 고전적인 열역학 법칙에도 위배되지 않습니다.

응용 전망에 대해 Lu Dawei는 "실용적인 양자 냉장고는 당분간 만들어지지 않을 것입니다. 동시에 그러한 장치를 실현하는 데 있어서의 어려움은 보편적인 양자 컴퓨터를 만드는 것과 다름없다고 생각합니다."라고 말했습니다. 그러나 리뷰어가 말했듯이 이 방법을 사용하여 양자 컴퓨터에서 큐비트를 냉각시키는 것은 여전히 ​​매우 유망합니다. "

(출처: 물리적 검토 편지)

물리학의 "괴물"부터 시작해 보겠습니다.

보고서에 따르면, 고전 열역학은 거시적 시스템을 연구하고, 다수의 입자의 평균 거동을 설명하며, 뉴턴 역학 및 통계 역학의 법칙을 따릅니다.

이를 통해 사람들은 온도, 내부에너지, 엔트로피 등 일련의 거시적 양을 정의하고, 열전달과 작업해석을 통해 열기관, 냉장고 등의 장비를 발명했다.

양자 열역학은 미세한 양자 시스템, 특히 입자 수가 적은 시스템을 연구합니다.

이는 양자 상태의 중첩, 얽힘 및 측정을 포함하는 양자역학의 기본 원리에 의존합니다. 이는 양자 열역학을 고전 열역학과 근본적으로 다르게 만들고, 또한 거의 모든 고전 열역학 양을 재정의해야 함을 의미합니다.

예를 들어, 고전적인 실린더-피스톤 모델에서 일은 피스톤의 운동으로 정의될 수 있습니다. 피스톤이 가스를 압축하면 "양의 일"을 하고, 가스가 피스톤을 밀어내는 경우는 "음의 일"을 합니다. ".

양자 세계에는 몇 가지 입자의 양자 상태와 그 진화를 지배하는 슈뢰딩거 방정식만 있습니다. 이때 일은 양자상태가 변하지 않을 때의 계 에너지의 변화로 정의되며, 에너지의 증가는 "양의 일"이고, 그 반대의 경우는 "음의 일"이다.

양자 작업과 고전 작업의 차이점은 정의에만 있는 것이 아닙니다. 유명한 "맥스웰의 악마" 역설에 반영된 양자 세계의 작업과 정보 사이에도 밀접한 관계가 있습니다.

1867년 영국의 과학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 열이 항상 고온 물체에서 저온 물체로 자발적으로 흐른다는 열역학 제2법칙을 탐구하고 도전하기 위한 실험을 제안했습니다.

Maxwell은 작은 "악마"를 상상했고 그것이 두 개의 가스실을 분리하는 출입구를 지키고 있다고 상상했습니다. 두 가스실의 초기 온도는 동일합니다. 즉, 열평형 상태에 있습니다.

"맥스웰의 악마"는 각 가스 분자의 속도를 관찰하고 문의 개폐를 제어할 수 있습니다. 악마는 왼쪽 방에서 오른쪽 방으로 빠르게 이동하는 분자를 보면 문을 열고 분자가 통과하도록 합니다.

악마는 오른쪽 방에서 왼쪽 방으로 이동하는 느린 분자를 볼 때 문을 열고 분자가 통과하도록 합니다.

이러한 작업을 통해 "악마"는 빠른 분자를 오른쪽 방으로 집중시키고 분자를 왼쪽 방으로 느리게 만들어 오른쪽 방의 온도를 높이고 왼쪽 방의 온도를 낮출 수 있습니다.

이는 원래 열평형 상태에 있던 두 개의 가스실이 실제로는 '악마'의 인도를 받아 고온과 저온 영역의 분리를 구현했기 때문에 열역학 제2법칙에 위배되는 것으로 보인다.

이러한 이유로 '맥스웰의 악마' 실험은 학계에서 광범위한 논의와 연구를 촉발했으며, 열역학과 정보 이론의 관계에 대한 이해를 넓혔습니다.

현대 물리학자들은 "맥스웰의 악마"가 열역학 제2법칙을 위반하지 않는다고 믿습니다. 왜냐하면 "악마"는 분자를 관찰하고 문을 열고 닫을 때 정보가 필요하기 때문입니다.

이 정보를 처리하는 것 자체에는 작업이 필요합니다. 특히 "악마"가 정보를 지울 때 엔트로피가 증가하여 시스템 엔트로피 감소를 보충할 수 있습니다.

이를 바탕으로 '맥스웰의 악마' 실험은 열역학에 정보 이론의 적용을 촉진하고 정보 처리와 물리적 과정 사이의 심오한 연관성을 밝혀 양자 열역학 발전의 토대를 마련했습니다.

양자 열역학에서 양자 시스템의 열역학적 과정은 주로 양자 상태의 제어 및 측정, 즉 "양자 정보"의 처리를 포함합니다.

양자 상태의 엔트로피를 정의함으로써 학계에서는 점차 양자 정보와 열역학 간의 연관성을 확립해 왔습니다. 이는 "맥스웰의 악마"가 기록한 정보 및 엔트로피 변화와 유사합니다.

동시에 사람들은 양자 정보 이론이 양자 일관성, 양자 얽힘, 양자 측정 및 기타 새로운 양자 자원과 같은 일련의 도구와 기술을 제공하여 양자 열역학 연구에 도움을 줄 수 있다는 것을 발견했습니다.

예를 들어 열기관이나 냉장고의 효율은 양자 얽힘과 같은 자원을 통해 향상될 수 있다.

양자열역학에 관한 실험적 연구가 의제로 상정되었습니다.

양자 정보는 열역학 발전에 완전히 새로운 가능성을 가져올 수 있습니다. 그러나 실제 양자계에서 양자열역학 이론을 탐구하고 검증하는 데에는 여전히 많은 과제가 남아 있습니다.

다행스럽게도 지난 20년 동안 학계의 양자정보기술에 대한 지속적인 투자로 인해 사람들은 양자시스템을 제어할 수 있는 능력이 점점 더 향상되었고, 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자 등의 분야에서 실험적인 결과를 얻었습니다. 정밀 측정. 엄청난 혁신.

그렇다면 양자정보처리를 핵심기술로 활용하는 양자열역학 실험연구도 고도화되어야 하는 것은 당연하다.

양자 열역학의 연구 핫스팟은 양자 열 엔진/냉장고입니다.

양자 냉장고를 예로 들면, 기본 기능은 더 차가운 물체에서 열을 흡수한 다음 더 뜨거운 환경으로 열을 방출하여 냉각을 달성하는 고전적인 냉장고와 동일합니다.

그러나 기존 냉장고와 달리 양자 냉장고는 양자 정보 처리를 사용해 이러한 냉동 과정을 구현한다. 그중에서도 다양하고 풍부한 양자 자원이 이 과정에 도움을 줄 수 있습니다.

그러면 양자시스템을 정밀하게 제어할 수 있고, 이러한 양자자원을 준비하고 효과적으로 활용할 수 있다면 양자냉장고를 실험적으로 구현할 수 있을 것이다.

핵자기공명 양자시스템은 원자핵과 자기장의 공명 현상을 연구하는 루 다웨이(Lu Dawei) 팀의 주요 연구 방향 중 하나이다.

보고에 따르면, 원자핵에 의해 전달되는 스핀 정보는 제어되고 판독될 수 있습니다. 사실 이것은 오래되고 새로운 기술입니다.

개발이 거의 한 세기에 걸쳐 진행되었기 때문에 고대라고 알려져 있습니다. 영화 "오펜하이머"의 조연인 이시도르 아이작 라비가 1944년에 핵자기공명 현상을 발견하여 노벨 물리학상을 수상했습니다.

오늘날 현대 핵자기공명기술은 인간의 물 분자에서 수소 원자를 검출해 환자의 건강 상태를 판단하는 건강검진에 없어서는 안 될 '예리한 도구'가 됐다.

양자계의 기능으로 핵자기공명이 개발된 지 20년이 넘었기 때문에 참신하다고 한다.

실제로 양자정보 분야에서 핵자기공명은 선구적인 실험 플랫폼이다.

양자정보를 원자핵의 스핀으로 부호화한 후 자기장을 통해 이를 제어하고 판독함으로써 다양한 양자정보 작업이 완성되고 수많은 놀라운 양자현상이 드러날 수 있습니다.

Lu Dawei는 2007년 박사 과정을 공부한 이후 거의 20년 동안 이 분야에서 일해 왔습니다.

2012년에 Lu Dawei는 박사후 연구원으로 캐나다에 와서 "자급자족" 양자 냉장고 이론에 관한 기사를 읽었습니다[1].

당시 그는 삼체 상호작용이라는 발상이 매우 기발하다고 느꼈다. 하지만 박사후 과정 동안 주로 핵자기공명 양자컴퓨팅을 연구했기 때문에 큐비트 수와 제어 정확도를 높이는 데 주력했다.

2017년 Lu Dawei는 Southern University of Science and Technology에 합류하여 독립 조직을 설립했습니다. 초전도 회로, 이온 트랩 등 양자 시스템의 개발로 인해 양자 컴퓨터를 구현하기 위해 핵자기 공명 시스템을 사용하는 데 따른 단점이 지속적으로 확대되어 왔습니다.

2020년 루 다웨이(Lu Dawei)는 우연히 양자 열역학에 관한 리뷰 논문을 읽었습니다. 그것을 읽은 후 갑자기 핵자기공명이 양자열역학을 연구하는 데 매우 적합하다는 생각이 떠올랐습니다.

결국, 이 시스템은 실제 원자 및 분자 규모에서 열역학을 연구하며, 상온 및 앙상블과 같은 고유한 장점도 많이 가지고 있습니다.

"사람들에게 소설 '삼체문제' 같은 느낌을 줍니다.

당시 그룹의 모든 대학원생은 다른 임무를 갖고 있었기 때문에 Lu Dawei는 그룹의 두 명의 학부생, 즉 3학년 Zhu Xuanran과 2학년 Huang Keyi를 묶었습니다.

나중에 그들은 핵자기공명을 이용해 '무한한 인과관계'를 갖는 양자냉장고를 구현했다.

'무한한 인과관계'는 두 사건 A와 B의 발생 순서가 공존할 수 있게 해주는 놀라운 양자자원이다.

즉, 고전 세계에서는 B 이전의 A 또는 A 이전의 B만 허용하지만, 양자 세계에서는 이 두 질서의 '동시' 존재를 허용합니다.

NMR 장비에서는연구팀은 이러한 '불확실한 인과관계 순서'를 달성하기 위해 크로톤산 분자의 탄소 원자 4개를 사용했으며, 이를 양자 냉동 과정을 구동하고 양자 냉장고를 구현하기 위한 양자 자원으로 사용했습니다.

2022년에는 Physical Review Letters [2]에 관련 논문이 게재될 예정이다.

Lu Dawei는 "당시 이 논문의 공동 저자였던 Zhu Xuanran은 이미 졸업했기 때문에 실제로 장학금 신청에 도움이 되지 않았습니다. 그러나 금은 항상 빛날 것입니다. 그는 나중에 홍콩 정부 장학금을 받았고 현재 홍콩과기대에서 박사과정을 밟고 있습니다.”

동시에 이번 2022년 논문도 적잖은 파문을 일으켰다. 유명한 과학서적 작가이자 왕립학회 과학도서상 수상자인 Philip Ball 박사는 자신의 Nature Materials 칼럼에서 Lu Dawei 연구 그룹의 실험을 구체적으로 소개했습니다[3].

2024년에 팀은 또 다른 양자 자원인 삼체 상호작용을 연구했습니다. 이 효과는 약간 SF적인 느낌이 나며 사람들에게 "삼체" 소설 같은 느낌을 줍니다.

사실, 익숙한 정전기(쿨롱) 힘이든 중력이든 두 물체 사이의 효과입니다. 양자 세계에서도 자연적인 삼체 상호작용은 여전히 ​​존재하지 않습니다.

(출처: 물리적 검토 편지)

그러나 일단 이 삼체 동작이 구성되면 많은 흥미로운 현상이 발생합니다.

예를 들어, 10여 년 전 영국 브리스톨 대학의 연구자들은 삼체 상호작용을 통한 "자급자족" 양자 냉각을 구상했습니다.

2024년 Lu Dawei 팀이 실시한 실험은 위의 아이디어를 입증했습니다.

즉, 크로톤산의 탄소 3개를 이용하고 핵자기공명 양자시스템에서 개발한 다양한 제어방법을 결합해 실험계획에 필요한 삼체 상호작용을 성공적으로 변조했다.

연구 중에 그들은 전체 과정 동안의 일과 열 변화를 측정했으며 실제로 양자 시스템에 순 에너지 입력이 없다는 것을 발견했습니다.

게다가 그들은 목표 원자의 온도 변화도 추적했다. 냉동이 진행됨에 따라 목표 원자의 온도가 자연적으로 감소하는 것으로 나타났습니다.

루 다웨이는 "학계에서는 오랫동안 이론상으로는 이를 예측해 왔지만 실제로 실험적으로 관찰해 보면 상당한 성취감을 느낀다"고 말했다.

최근 Physical Review Letters [4]에 "Experimental Realization of Self-Contained Quantum Refrigeration"이라는 제목으로 관련 논문이 게재되었습니다.

남방과기대 학부생 황케이(Huang Keyi)가 제1저자로, 남방과기대 루 다웨이(Lu Dawei) 교수와 니신팡(Nie Xinfang) 조교수가 공동교신저자로 활동하고 있다.

그림 | 관련 논문 (출처: Physical Review Letters)

원고를 제출할 때 의도적으로 "결점을 판매"했지만 리뷰어로부터 우호적인 지적을 받았습니다.

Lu Dawei는 다음과 같이 말했습니다. "우리는 정말 운이 좋았습니다. PRL의 두 검토자 모두 매우 긍정적인 검토 의견을 주었습니다. 실제로 양자 열역학 연구, 특히 이번 실험의 틈새 특성으로 인해 저는 이미 원고를 준비하고 검토했습니다. 사람들은 준비하고 있습니다. 장기간의 줄다리기를 위해, 심지어 의도적으로 본문에 '결점을 팔아버리기'까지 했습니다."

그 결과, 리뷰어 중 한 명이 이 결함을 발견했을 뿐만 아니라 이 "결함"에 대한 해결책을 제안하는 데 앞장섰습니다.

"리뷰 댓글을 보고 너무 기뻤을 뿐만 아니라 조금 어이가 없었습니다. 어렸을 때 뭔가 잘못하고 일부러 숨긴 것 같은 느낌이 들었는데 어머니가 친절하게 지적해 주셨어요." 말했다.

또한, 검토자들은 양자 열역학에 대한 이 실험적 연구가 중요하고 참신하다고 믿습니다. 게다가 Lu Dawei가 더욱 감탄한 점은 리뷰어들이 결과의 적용 전망까지 고려했다는 것입니다.

검토자는 현재의 양자 냉장고가 단지 원리 증명일 뿐 단기적으로는 실질적인 응용이 불가능할 것이라고 믿습니다.

그러나 양자 냉동 기술은 실제로 큐비트를 더욱 냉각시키고 양자 컴퓨팅 프로세스에서 오류율을 억제할 수 있습니다.

검토자의 아이디어에 따라 Lu Dawei 등은 양자 컴퓨팅 초기화를 위해 삼체 상호 작용 냉동을 사용하기 위한 이론적 프레임워크를 제안했습니다.

"이 느낌은 튜터의 배려와 지도를 받은 대학원생의 느낌과 같습니다. PRL의 심사위원들에게 정말 감사드립니다. 그들의 학문적 수준이 매우 높고 통찰력이 매우 강합니다. 그들은 우리를 더욱 깊이 있게 만들었습니다. 과학적 토론과 협력의 중요성을 인식하고 있습니다." Lu Dawei는 말했습니다.

(출처: 물리적 검토 편지)

앞서 언급했듯이 Huang Keyi는 이 2024년 논문의 첫 번째 저자입니다. 이 학부생을 지도한 Lu Dawei는 그를 높이 칭찬했습니다.

Lu Dawei는 이번 연구 초기에 20년이 넘은 오래된 장비를 찾는 데 50,000위안을 썼다고 말했습니다.

당시 그는 학생들에게 이 장비를 모든 사람이 연습할 수 있도록 남겨둘 수 있다고 말했습니다. 이어 상자 바닥에 있던 '자급자족형' 양자 냉장고 이론에 관한 논문도 황계이에게 공유했다.

Lu Dawei는 Huang Keyi에게 이렇게 말했습니다. "실험하는 법을 배우고 있으니 하지 마세요. 어떤 새로운 일을 하든 적어도 그것은 결과입니다. 모기 다리도 고기입니다."

의외로 황계의 실행력은 뛰어났다. 그는 스와이프로 모든 세부사항을 명확하게 했고, 동시에 악기도 배우고 실험도 했다. "그 후 대학원 2학년이 되었을 때, 그는 첫 번째 저자인 PRL 논문을 받았습니다."라고 Lu Dawei는 말했습니다.

그러나 아직 현장에서 양자열역학에 관한 실험적 연구는 상대적으로 적다. 논문이 출판된 후, 이론물리학 분야의 동료들로부터 더 많은 연락을 받았고, 이들 동료들은 핵자기공명 양자열역학 분야에서 협력하겠다는 의지도 표명했습니다.

"현재 우리는 양자 열역학, 정보 이론 및 자원 이론과 같은 광범위한 열역학 분야를 다루는 세 가지 이론 그룹과 실험적 협력을 진행하고 있습니다. 최근 홍콩 시립 대학 팀과 협력한 논문이 PRL에 접수되었습니다. ." Lu Dawei가 최종 성명을 발표했습니다.

참고자료:

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). 자체 포함 양자 냉각의 실험적 실현. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

운영/조판: He Chenlong

01/ 홍콩시 팀은 특별한 시나리오에서 담수 처리에 사용할 수 있는 새로운 유형의 나노층 멤브레인을 개발하고 2차원 재료 적용을 위한 돌파구를 찾습니다.

02/ 수십 년간의 화학적 문제에 대해 신뢰할 만한 답변이 제공되었습니다. 과학자들은 염화수소를 용해하여 염산을 형성하는 새로운 미세 메커니즘을 제안했으며, 이는 여러 분야의 발전을 촉진할 것입니다.

03/ 과학자들은 약한 신호를 정확하게 감지하고 개별 핵 스핀을 감지하고 제어하는 ​​데 사용할 수 있는 새로운 양자 감지 제어 방법을 개발했습니다.

04/ "MIT Technology Review"의 새로운 "35세 이하 기술 혁신가 35인" 중국 우승자가 공식 발표되었습니다!상하이에서 과학기술 청년들의 혁신적 힘을 목격하세요

05/ 북경대 연구팀, 동적강도 14GPa로 경량, 고성능 구조 및 보호소재로 활용 가능한 초강력 탄소나노튜브 섬유 개발 성공