notícias

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Como ex-membro da classe júnior da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, o professor Lu Dawei da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul é provavelmente uma espécie de “herói nascido de menino” aos olhos de seus colegas.

Embora, ao relembrar sua experiência de graduação, ele tenha admitido: “É muito fácil perder o controle de si mesmo na faculdade pela manhã”.

Mas ele ainda obteve um diploma de graduação e um doutorado na Universidade de Ciência e Tecnologia da China. Depois de concluir a pesquisa de pós-doutorado na Universidade de Waterloo, no Canadá, retornou à China e ingressou na Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul para se tornar um cientista.

Ao mesmo tempo, como professor, também treinou um jovem talento como ele - Huang Keyi.

Não muito tempo atrás, um artigo com Lu Dawei como autor correspondente e Huang Keyi como primeiro autor foi publicado na importante revista de física Physical Review Letters. No momento da conclusão deste artigo, Huang Keyi era apenas um estudante de graduação.

Então, sobre o que é este artigo? Segundo relatos,Usando sistemas quânticos de ressonância magnética nuclear, eles verificaram o princípio de uma refrigeração quântica (geladeira) "autossuficiente".

Figura | Da esquerda para a direita: Huang Keyi, primeiro autor do artigo, e Lu Dawei, autor correspondente do artigo (Fonte: Lu Dawei)

Ao projetar e regular uma forma específica de interação de “três corpos” entre três átomos, a equipe de pesquisa construiu este refrigerador quântico “autossuficiente”.

Nenhuma energia adicional é necessária em todo o ciclo de refrigeração para resfriar um dos átomos (semelhante a um refrigerador clássico que não precisa ser conectado à tomada).

Este não é apenas um fenômeno exclusivo do mundo quântico microscópico, mas também não viola as leis clássicas da termodinâmica.

Em relação às perspectivas de aplicação, Lu Dawei disse: “Um refrigerador quântico prático definitivamente não será construído por enquanto. Ao mesmo tempo, acho que a dificuldade de realizar tal dispositivo não é menor do que construir um computador quântico universal”. Mas, como disse o revisor, usar esse método para resfriar qubits em computadores quânticos ainda é muito promissor. "

(Fonte: Cartas de Revisão Física)

Vamos começar com os “monstros” da física

Segundo relatos, a termodinâmica clássica estuda um sistema macroscópico, descreve o comportamento médio de um grande número de partículas e segue as leis da mecânica newtoniana e da mecânica estatística.

A partir disso, as pessoas definiram uma série de quantidades macroscópicas, como temperatura, energia interna e entropia, e inventaram equipamentos como motores térmicos e refrigeradores por meio de transferência de calor e análise de trabalho.

A termodinâmica quântica estuda sistemas quânticos microscópicos, especialmente sistemas com apenas algumas partículas.

Baseia-se nos princípios básicos da mecânica quântica, envolvendo a superposição, emaranhamento e medição de estados quânticos. Isto torna a termodinâmica quântica fundamentalmente diferente da termodinâmica clássica e também significa que quase todas as quantidades termodinâmicas clássicas precisam ser redefinidas.

Por exemplo, no modelo clássico cilindro-pistão, o trabalho pode ser definido pelo movimento do pistão. Quando o pistão comprime o gás, ele realiza "trabalho positivo" e, quando o gás empurra o pistão, ele realiza "trabalho negativo". ".

No mundo quântico, existem apenas os estados quânticos de algumas partículas e a equação de Schrödinger que governa a sua evolução. Neste momento, o trabalho é definido como a mudança na energia do sistema quando o estado quântico permanece inalterado. Um aumento na energia é “trabalho positivo” e vice-versa é “trabalho negativo”.

A diferença entre trabalho quântico e clássico não é apenas a definição, há também uma estreita ligação entre trabalho e informação no mundo quântico, o que se reflete no famoso paradoxo do "Demônio de Maxwell".

Em 1867, o cientista britânico James Clerk Maxwell propôs um experimento para explorar e desafiar a segunda lei da termodinâmica, que afirma que o calor sempre flui espontaneamente de um objeto de alta temperatura para um objeto de baixa temperatura.

Maxwell imaginou um pequeno “demônio” e imaginou-o guardando uma porta que separava duas câmaras de gás. As temperaturas iniciais das duas câmaras de gás são iguais, ou seja, estão em equilíbrio térmico.

O “Demônio de Maxwell” pode observar a velocidade de cada molécula de gás e controlar a abertura e o fechamento da porta. Quando o demônio vê uma molécula rápida se movendo da câmara esquerda para a câmara direita, ele abre a porta e deixa a molécula passar.

Quando o demônio vê uma molécula lenta se movendo da câmara direita para a câmara esquerda, ele também abre a porta e deixa a molécula passar.

Através de tais operações, o “demônio” pode concentrar moléculas rápidas na câmara direita e moléculas lentas na câmara esquerda, aumentando assim a temperatura da câmara direita e diminuindo a temperatura da câmara esquerda.

Isto parece violar a segunda lei da termodinâmica, porque as duas câmaras de gás, que estavam originalmente em equilíbrio térmico, na verdade realizaram a separação de regiões de alta e baixa temperatura sob a orientação do “demônio”.

Por esse motivo, o experimento “Demônio de Maxwell” desencadeou extensas discussões e pesquisas na comunidade acadêmica, e ampliou a compreensão da relação entre termodinâmica e teoria da informação.

Os físicos modernos acreditam que o “demônio de Maxwell” não viola a segunda lei da termodinâmica, porque o “demônio” precisa de informações para observar moléculas e decidir abrir e fechar portas.

O próprio processamento dessas informações exige trabalho, principalmente quando o “demônio” apaga as informações, a entropia aumentará, o que pode compensar a diminuição da entropia do sistema.

Com base nisso, o experimento "Demônio de Maxwell" promoveu a aplicação da teoria da informação na termodinâmica, revelou a profunda conexão entre o processamento da informação e os processos físicos e lançou as bases para o desenvolvimento da termodinâmica quântica.

Na termodinâmica quântica, o processo termodinâmico dos sistemas quânticos envolve principalmente o controle e medição de estados quânticos, ou seja, o processamento de "informações quânticas".

Ao definir a entropia dos estados quânticos, a comunidade acadêmica estabeleceu gradualmente uma conexão entre a informação quântica e a termodinâmica. Isso é semelhante às mudanças de informação e entropia registradas por "Maxwell's Demon".

Ao mesmo tempo, as pessoas descobriram que a teoria da informação quântica fornece uma série de ferramentas e tecnologias, como coerência quântica, emaranhamento quântico, medição quântica e outros novos recursos quânticos, que podem fornecer assistência à pesquisa da termodinâmica quântica.

Por exemplo, a eficiência de motores térmicos ou refrigeradores pode ser melhorada através de recursos como o emaranhamento quântico.

Pesquisa experimental em termodinâmica quântica foi colocada em pauta

Embora a informação quântica possa trazer possibilidades completamente novas para o desenvolvimento da termodinâmica. No entanto, ainda existem muitos desafios para explorar e verificar a teoria da termodinâmica quântica em sistemas quânticos reais.

Felizmente, nas últimas duas décadas, com o investimento contínuo em tecnologia de informação quântica por parte da comunidade académica, as pessoas tornaram-se cada vez mais capazes de controlar sistemas quânticos e alcançaram resultados experimentais em campos como computação quântica, comunicações quânticas e computação quântica. medição de precisão.

Então, é natural que a pesquisa experimental em termodinâmica quântica, que também utiliza o processamento de informação quântica como sua tecnologia central, seja atualizada.

Um ponto importante de pesquisa em termodinâmica quântica é o motor/refrigerador térmico quântico.

Tomando como exemplo um refrigerador quântico, sua função básica é a mesma de um refrigerador clássico, que é absorver o calor de um objeto mais frio e depois liberar o calor em um ambiente mais quente para obter resfriamento.

No entanto, ao contrário dos refrigeradores clássicos, os refrigeradores quânticos usam o processamento quântico de informações para realizar esse processo de refrigeração. Entre eles, vários recursos quânticos abundantes podem auxiliar esse processo.

Então, se o sistema quântico puder ser controlado com precisão, esses recursos quânticos puderem ser preparados e utilizados de forma eficaz, um refrigerador quântico poderá ser realizado experimentalmente.

O sistema quântico de ressonância magnética nuclear é uma das principais direções de pesquisa da equipe de Lu Dawei, que consiste em estudar o fenômeno de ressonância de núcleos atômicos e campos magnéticos.

Segundo relatos, as informações de spin transportadas pelos núcleos atômicos podem ser controladas e lidas. Na verdade, esta é uma tecnologia antiga e nova.

Diz-se que é antigo porque o seu desenvolvimento já dura quase um século. Isidor Isaac Rabi, o ator coadjuvante do filme "Oppenheimer", descobriu o fenômeno da ressonância magnética nuclear. Ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1944.

Hoje, a moderna tecnologia de ressonância magnética nuclear tornou-se uma "ferramenta afiada" indispensável para exames médicos, que consiste em avaliar a saúde dos pacientes através da detecção de átomos de hidrogênio nas moléculas de água humana.

Diz-se que é novo porque, em função dos sistemas quânticos, a ressonância magnética nuclear só foi desenvolvida há mais de 20 anos.

Na verdade, no campo da informação quântica, a ressonância magnética nuclear é uma plataforma experimental pioneira.

Ao codificar a informação quântica no spin dos núcleos atômicos e, em seguida, controlá-la e lê-la através de campos magnéticos, várias tarefas de informação quântica podem ser concluídas e muitos fenômenos quânticos maravilhosos podem ser revelados.

Desde que estudou para obter seu doutorado em 2007, Lu Dawei trabalha nessa direção há quase 20 anos.

Em 2012, Lu Dawei veio para o Canadá como pós-doutorado, onde leu um artigo sobre a teoria de um refrigerador quântico "autossuficiente" [1].

Naquela época, ele sentiu que a ideia da interação de três corpos era muito inteligente. No entanto, como estudou principalmente computação quântica de ressonância magnética nuclear durante seu período de pós-doutorado, ele concentrou sua energia principal no avanço do número de qubits e na precisão do controle.

Em 2017, Lu Dawei ingressou na Southern University of Science and Technology para formar uma organização independente. Com o desenvolvimento de sistemas quânticos, como circuitos supercondutores e armadilhas de íons, as desvantagens do uso de sistemas de ressonância magnética nuclear para realizar computadores quânticos são constantemente amplificadas.

Em 2020, Lu Dawei leu por acaso um artigo de revisão sobre termodinâmica quântica. Depois de lê-lo, de repente me dei conta de que a ressonância magnética nuclear é muito adequada para o estudo da termodinâmica quântica.

Afinal, este sistema estuda a termodinâmica em escala atômica e molecular real e também possui muitas vantagens exclusivas, como temperatura ambiente e conjunto.

“Isso dá às pessoas a sensação do romance “O Problema dos Três Corpos”

Naquela época, todos os alunos de pós-graduação do grupo tinham outras tarefas, então Lu Dawei reuniu dois alunos de graduação no grupo: Zhu Xuanran, do terceiro ano, e Huang Keyi, do segundo ano.

Mais tarde, eles usaram a ressonância magnética nuclear para criar um refrigerador quântico com “ordem causal indefinida”.

A "ordem causal indefinida" é um recurso quântico maravilhoso que permite a coexistência da ordem de ocorrência de dois eventos A e B.

Ou seja, o mundo clássico só permite A antes de B, ou B antes de A, mas o mundo quântico permite a existência “simultânea” destas duas ordens.

No equipamento de RMN,A equipe usou quatro átomos de carbono na molécula de ácido crotônico para alcançar essa “ordem causal indeterminada” e a usou como um recurso quântico para conduzir o processo de refrigeração quântica e realizar um refrigerador quântico.

Em 2022, artigos relacionados serão publicados na Physical Review Letters [2].

Lu Dawei disse: "Zhu Xuanran, que era o coautor deste artigo na época, já havia se formado, o que na verdade não o ajudou a se candidatar a bolsas. Mas o ouro sempre brilhará. Mais tarde, ele recebeu uma bolsa do governo de Hong Kong e está atualmente na Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong para obter um doutorado.

Ao mesmo tempo, este artigo em 2022 também causou grande rebuliço. Philip Ball, um famoso escritor de livros científicos e vencedor do Royal Society Science Book Award, apresentou especificamente os experimentos do grupo de pesquisa de Lu Dawei em sua coluna Nature Materials [3].

Em 2024, a equipe estudou outro recurso quântico, a interação de três corpos. Este efeito parece um pouco ficção científica, dando às pessoas a sensação de um romance de “Três Corpos”.

Na verdade, seja a familiar força eletrostática (Coulomb) ou a força gravitacional, são os efeitos entre dois objetos. Mesmo no mundo quântico, as interações naturais de três corpos ainda não existem.

(Fonte: Cartas de Revisão Física)

Contudo, uma vez construída esta acção de três corpos, ocorrem muitos fenómenos interessantes.

Por exemplo, há mais de uma década, investigadores da Universidade de Bristol, no Reino Unido, imaginaram uma refrigeração quântica “autossuficiente” através da interação de três corpos.

O experimento realizado pela equipe de Lu Dawei em 2024 apenas comprovou a ideia acima.

Ou seja, usando os três átomos de carbono do ácido crotônico e combinando vários métodos de controle desenvolvidos pelo sistema quântico de ressonância magnética nuclear, eles modularam com sucesso a interação de três corpos necessária para o plano experimental.

Durante o estudo, eles mediram o trabalho e as mudanças de calor durante todo o processo e descobriram que de fato não houve entrada líquida de energia no sistema quântico.

Além disso, eles rastrearam as mudanças de temperatura dos átomos alvo. Verificou-se que à medida que a refrigeração prossegue, a temperatura dos átomos alvo diminui espontaneamente.

"Embora a comunidade acadêmica já tenha previsto isso em teoria há muito tempo, quando esse fenômeno é realmente observado experimentalmente, é uma grande sensação de realização", disse Lu Dawei.

Recentemente, um artigo relacionado foi publicado na Physical Review Letters [4] sob o título "Realização Experimental de Refrigeração Quântica Autônoma".

Huang Keyi, um estudante de graduação da Southern University of Science and Technology, é o primeiro autor, e o professor Lu Dawei e o professor assistente Nie Xinfang da Southern University of Science and Technology atuam como co-autores correspondentes.

Figura | Artigos relacionados (Fonte: Physical Review Letters)

Eu deliberadamente “vendi uma falha” ao submeter meu manuscrito, mas fui apontado amigavelmente pelo revisor.

Lu Dawei disse: "Temos realmente muita sorte. Ambos os revisores do PRL deram opiniões de revisão muito positivas. Na verdade, devido à natureza de nicho da pesquisa em termodinâmica quântica, especialmente este experimento, já preparei e revisei o manuscrito. As pessoas estão se preparando para um cabo de guerra de longo prazo, e até mesmo deliberadamente 'vender uma falha' no texto."

Como resultado, um dos revisores não só descobriu esta falha, mas também tomou a iniciativa de ajudá-los a propor uma solução para esta “falha”.

“Não só fiquei muito feliz quando vi os comentários da crítica, mas também me senti um pouco perplexo. Parecia que fiz algo errado quando era criança e o escondi deliberadamente, mas minha mãe gentilmente apontou isso. disse.

Além disso, os revisores acreditam que este estudo experimental sobre termodinâmica quântica é importante e inovador. Além disso, o que Lu Dawei admirou ainda mais foi que os revisores até pensaram nas perspectivas de aplicação dos resultados para eles.

O revisor acredita que o atual refrigerador quântico é apenas uma prova de princípio e não terá aplicações substanciais no curto prazo.

No entanto, a tecnologia de refrigeração quântica pode de fato resfriar ainda mais os qubits e suprimir a taxa de erro no processo de computação quântica.

Seguindo as ideias do revisor, Lu Dawei e outros propuseram uma estrutura teórica para o uso da refrigeração de interação de três corpos para inicialização da computação quântica.

“Esse sentimento é como o de um estudante de pós-graduação que recebeu o carinho e a orientação do tutor. Estou muito grato aos revisores do PRL. ciente da importância da discussão científica e da cooperação." Importância disse Lu Dawei."

(Fonte: Cartas de Revisão Física)

Como mencionado anteriormente, Huang Keyi é o primeiro autor deste artigo de 2024. Para este estudante de graduação, Lu Dawei, como seu tutor, elogiou-o muito.

Lu Dawei disse que no início desta pesquisa gastou 50 mil yuans para encontrar um equipamento antigo com mais de 20 anos.

Naquela época, ele disse aos alunos que esse equipamento poderia ser deixado para todos praticarem. Em seguida, ele também compartilhou com Huang Keyi o artigo sobre a teoria dos refrigeradores quânticos “autossuficientes” que estava no fundo da caixa.

Lu Dawei disse a Huang Keyi: “Já que você está aprendendo a fazer experimentos, não faça isso. Não importa quais coisas novas você faça, pelo menos é um resultado. Pernas de mosquito também são carne”.

Inesperadamente, a habilidade de execução de Huang Keyi foi excelente. Ele esclareceu todos os detalhes com um toque e também aprendeu instrumentos e conduziu experimentos ao mesmo tempo. "Então, quando ele estava no segundo ano de pós-graduação, ele conseguiu seu primeiro artigo sobre PRL como primeiro autor", disse Lu Dawei.

No entanto, ainda existem relativamente poucos estudos experimentais sobre termodinâmica quântica na área. Depois que o artigo foi publicado, eles foram mais contatados por colegas da física teórica. Além disso, esses colegas também expressaram sua vontade de colaborar na termodinâmica quântica por ressonância magnética nuclear.

"Atualmente, estamos conduzindo cooperação experimental com três grupos teóricos, envolvendo termodinâmica quântica, teoria da informação, teoria dos recursos e muitos outros campos termodinâmicos em sentido amplo. Recentemente, o artigo que colaboramos com a equipe da City University of Hong Kong acaba de ser aceito por PRL." Lu Dawei fez a declaração final.

Referências:

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). Realização experimental de refrigeração quântica autocontida. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Operação/composição: He Chenlong

01/ A equipe da cidade de Hong Kong desenvolve um novo tipo de membrana em nanocamadas, que pode ser usada para tratamento de água doce em cenários especiais e encontra avanços para a aplicação de materiais bidimensionais.

02/ Décadas de problemas químicos receberam respostas confiáveis. Os cientistas propuseram um novo mecanismo microscópico para a dissolução do cloreto de hidrogênio para formar ácido clorídrico, que promoverá o desenvolvimento de múltiplas disciplinas.

03/ Cientistas criam um novo método de controle de detecção quântica que pode detectar com precisão sinais fracos e pode ser usado para detectar e controlar spins nucleares individuais

04/ Os novos vencedores dos "35 principais inovadores tecnológicos com menos de 35 anos" da "MIT Technology Review" na China são anunciados oficialmente!Testemunhe o poder inovador da juventude científica e tecnológica em Xangai

05/ Com uma resistência dinâmica de 14GPa, a equipe da Universidade de Pequim desenvolveu com sucesso fibras de nanotubos de carbono superfortes, que podem ser usadas como materiais estruturais e de proteção leves e de alto desempenho