Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Профессор Лу Давэй из Южного университета науки и технологий, бывший член младшего класса Университета науки и технологий Китая, вероятно, является своего рода «героем, рожденным мальчиком» в глазах своих сверстников.

Хотя, оглядываясь на свой студенческий опыт, он признавался: «В колледже по утрам очень легко потерять контроль над собой».

Но он все же получил степень бакалавра и доктора в Университете науки и технологий Китая. После завершения докторской диссертации в Университете Ватерлоо в Канаде он вернулся в Китай и поступил в Южный университет науки и технологий, чтобы стать ученым.

В то же время, будучи учителем, он также обучал такого же молодого таланта, как он сам, — Хуан Кейи.

Не так давно статья с Лу Давеем в качестве автора-корреспондента и Хуан Кейи в качестве первого автора была опубликована в ведущем физическом журнале Physical Review Letters. На момент написания этой статьи Хуан Кейи был еще студентом.

Итак, о чем эта статья? По сообщениям,Используя квантовые системы ядерного магнитного резонанса, они подтвердили принцип «самодостаточного» квантового охлаждения (холодильника).

Рисунок | Слева направо: Хуан Кэйи, первый автор статьи, и Лу Давэй, соответствующий автор статьи (Источник: Лу Давэй)

Разработав и регулируя особую форму «трехчастичного» взаимодействия между тремя атомами, исследовательская группа сконструировала этот «самодостаточный» квантовый холодильник.

Для охлаждения одного из атомов за весь цикл охлаждения не требуется никакой дополнительной энергии (аналогично классическому холодильнику, который не нужно подключать к сети).

Это не только явление, уникальное для микроскопического квантового мира, но и не нарушающее классические законы термодинамики.

Что касается перспектив применения, Лу Давэй сказал: «Практический квантовый холодильник в настоящее время точно не будет построен. В то же время я думаю, что сложность реализации такого устройства не меньше, чем создание универсального квантового компьютера». Но, как сказал рецензент, использование этого метода для охлаждения кубитов в квантовых компьютерах по-прежнему очень перспективно. "

(Источник: Письма о физическом обзоре)

Начнем с «монстров» в физике

Согласно сообщениям, классическая термодинамика изучает макроскопическую систему, описывает среднее поведение большого числа частиц и следует законам ньютоновской механики и статистической механики.

Исходя из этого, люди определили ряд макроскопических величин, таких как температура, внутренняя энергия и энтропия, и изобрели такое оборудование, как тепловые двигатели и холодильники, посредством анализа теплопередачи и работы.

Квантовая термодинамика изучает микроскопические квантовые системы, особенно системы, содержащие всего несколько частиц.

Он опирается на основные принципы квантовой механики, включающие суперпозицию, запутанность и измерение квантовых состояний. Это принципиально отличает квантовую термодинамику от классической термодинамики, а также означает, что почти все классические термодинамические величины необходимо переопределить.

Например, в классической цилиндро-поршневой модели работа может быть определена движением поршня. Когда поршень сжимает газ, он совершает «положительную работу», а когда газ отталкивает поршень, он совершает «отрицательную работу». ".

В квантовом мире существуют только квантовые состояния нескольких частиц и уравнение Шрёдингера, управляющее их эволюцией. В настоящее время работа определяется как изменение энергии системы, когда квантовое состояние остается неизменным. Увеличение энергии — это «положительная работа», и наоборот — «отрицательная работа».

Разница между квантовой и классической работой заключается не только в определении. Существует также тесная связь между работой и информацией в квантовом мире, что отражено в знаменитом парадоксе «Демона Максвелла».

В 1867 году британский учёный Джеймс Клерк Максвелл предложил эксперимент, чтобы изучить и оспорить второй закон термодинамики, который гласит, что тепло всегда самопроизвольно перетекает от объекта с высокой температурой к объекту с низкой температурой.

Максвелл представил крошечного «демона» и вообразил, что он охраняет дверной проем, разделяющий две газовые камеры. Начальные температуры двух газовых камер одинаковы, то есть они находятся в тепловом равновесии.

«Демон Максвелла» может наблюдать за скоростью каждой молекулы газа и контролировать открытие и закрытие двери. Когда демон видит быструю молекулу, движущуюся из левой камеры в правую, он открывает дверь и пропускает молекулу.

Когда демон видит медленную молекулу, движущуюся из правой камеры в левую, он также открывает дверь и пропускает молекулу.

Посредством таких операций «демон» может концентрировать быстрые молекулы в правой камере, а медленные — в левой, тем самым повышая температуру правой камеры и понижая температуру левой камеры.

Похоже, это нарушает второй закон термодинамики, поскольку две газовые камеры, первоначально находившиеся в тепловом равновесии, фактически осуществили разделение высокотемпературных и низкотемпературных областей под руководством «демона».

По этой причине эксперимент «Демон Максвелла» вызвал широкие дискуссии и исследования в академическом сообществе и расширил понимание взаимосвязи между термодинамикой и теорией информации.

Современные физики считают, что «демон Максвелла» не нарушает второй закон термодинамики, поскольку «демону» необходима информация при наблюдении за молекулами и принятии решения об открытии и закрытии дверей.

Сама обработка этой информации требует работы, особенно когда «демон» стирает информацию, энтропия возрастает, что может восполнить снижение энтропии системы.

На основе этого эксперимент «Демон Максвелла» способствовал применению теории информации в термодинамике, выявил глубокую связь между обработкой информации и физическими процессами и заложил основу для развития квантовой термодинамики.

В квантовой термодинамике термодинамический процесс квантовых систем в основном включает в себя управление и измерение квантовых состояний, то есть обработку «квантовой информации».

Определив энтропию квантовых состояний, академическое сообщество постепенно установило связь между квантовой информацией и термодинамикой. Это похоже на изменения информации и энтропии, зафиксированные «Демоном Максвелла».

В то же время люди обнаружили, что квантовая теория информации предоставляет ряд инструментов и технологий, таких как квантовая когерентность, квантовая запутанность, квантовое измерение и другие новые квантовые ресурсы, которые могут помочь в исследованиях квантовой термодинамики.

Например, эффективность тепловых двигателей или холодильников можно повысить с помощью таких ресурсов, как квантовая запутанность.

На повестку дня поставлены экспериментальные исследования в области квантовой термодинамики

Хотя квантовая информация может принести совершенно новые возможности в развитие термодинамики. Однако остается еще много проблем для изучения и проверки теории квантовой термодинамики в реальных квантовых системах.

К счастью, за последние два десятилетия благодаря постоянным инвестициям академического сообщества в квантовые информационные технологии люди стали все более и более способны управлять квантовыми системами и достигли экспериментальных результатов в таких областях, как квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые технологии. Огромный прорыв в прецизионных измерениях.

Тогда естественно, что экспериментальные исследования в области квантовой термодинамики, которые также используют квантовую обработку информации в качестве основной технологии, должны быть обновлены.

Горячей точкой исследований в области квантовой термодинамики является квантовый тепловой двигатель/холодильник.

Если взять в качестве примера квантовый холодильник, то его основная функция такая же, как и у классического холодильника: он поглощает тепло от более холодного объекта, а затем передает его в более горячую среду для достижения охлаждения.

Однако, в отличие от классических холодильников, квантовые холодильники используют квантовую обработку информации для осуществления этого процесса охлаждения. Среди них различные обильные квантовые ресурсы могут оказать помощь этому процессу.

Затем, если квантовой системой можно точно управлять, эти квантовые ресурсы можно подготовить и эффективно использовать, квантовый холодильник можно реализовать экспериментально.

Квантовая система ядерного магнитного резонанса — одно из основных направлений исследований команды Лу Давея, целью которого является изучение явления резонанса атомных ядер и магнитных полей.

Согласно сообщениям, спиновую информацию, которую несут атомные ядра, можно как контролировать, так и считывать. На самом деле это старая и новая технология.

Его называют древним, потому что его развитие длилось почти столетие. Исидор Исаак Раби, актер второго плана в фильме «Оппенгеймер», открыл явление ядерного магнитного резонанса. В 1944 году он получил Нобелевскую премию по физике.

Сегодня современная технология ядерного магнитного резонанса стала незаменимым «острым инструментом» медицинских обследований, которые призваны судить о состоянии здоровья пациентов по обнаружению атомов водорода в молекулах воды человека.

Его называют новым, поскольку ядерный магнитный резонанс как функция квантовых систем был разработан только более 20 лет назад.

Фактически, в области квантовой информации ядерный магнитный резонанс является новаторской экспериментальной платформой.

Закодировав квантовую информацию в спин атомных ядер, а затем управляя и считывая ее с помощью магнитных полей, можно выполнить различные задачи, связанные с квантовой информацией, и открыть множество замечательных квантовых явлений.

После получения докторской степени в 2007 году Лу Давэй работает в этом направлении почти 20 лет.

В 2012 году Лу Давэй приехал в Канаду в качестве постдокторанта, где прочитал статью по теории «самодостаточного» квантового холодильника [1].

В то время он чувствовал, что идея взаимодействия трех тел была очень умной. Однако, поскольку во время постдокторской деятельности он в основном изучал квантовые вычисления ядерного магнитного резонанса, он сосредоточил свою основную энергию на увеличении количества кубитов и точности управления.

В 2017 году Лу Давэй присоединился к Южному университету науки и технологий, чтобы создать независимую организацию. С развитием квантовых систем, таких как сверхпроводящие цепи и ионные ловушки, недостатки использования систем ядерного магнитного резонанса для реализации квантовых компьютеров постоянно увеличиваются.

В 2020 году Лу Давэй случайно прочитал обзорную статью по квантовой термодинамике. Прочитав ее, меня вдруг осенило, что ядерный магнитный резонанс очень подходит для изучения квантовой термодинамики.

В конце концов, эта система изучает термодинамику на реальном атомном и молекулярном уровне, а также имеет множество уникальных преимуществ, таких как комнатная температура и ансамбль.

«Это дает людям ощущение романа «Задача трех тел».

В то время у всех аспирантов в группе были другие задачи, поэтому Лу Давэй привлек в группу двух студентов: Чжу Сюаньраня, младшего курса, и Хуан Кэйи, второкурсника.

Позже они использовали ядерный магнитный резонанс, чтобы реализовать квантовый холодильник с «неопределенным причинным порядком».

«Неопределенный причинный порядок» — замечательный квантовый ресурс, позволяющий сосуществовать порядку возникновения двух событий A и B.

То есть классический мир допускает только А до Б или Б до А, но квантовый мир допускает «одновременное» существование этих двух порядков.

На оборудовании ЯМРКоманда использовала четыре атома углерода в молекуле кротоновой кислоты, чтобы достичь этого «неопределённого причинно-следственного порядка», и использовала их в качестве квантового ресурса для управления процессом квантового охлаждения и создания квантового холодильника.

В 2022 году соответствующие статьи будут опубликованы в журнале Physical Review Letters [2].

Лу Давэй сказал: «Чжу Сюаньрань, который в то время был соавтором этой статьи, уже закончил учебу, что на самом деле не помогло ему подать заявку на стипендию. Но золото всегда будет сиять. Позже он получил стипендию правительства Гонконга и в настоящее время учится на докторской степени в Гонконгском университете науки и технологий».

В то же время эта статья 2022 года также вызвала настоящий переполох. Доктор Филип Болл, известный писатель научных книг и лауреат премии Королевского общества научных книг, специально представил эксперименты исследовательской группы Лу Давея в своей колонке «Материалы природы» [3].

В 2024 году команда изучила еще один квантовый ресурс — трехчастичное взаимодействие. Этот эффект звучит немного научно-фантастически, создавая у людей ощущение романа «Три тела».

Фактически, будь то знакомая электростатическая (кулоновская) сила или сила гравитации, они являются эффектами между двумя объектами. Даже в квантовом мире естественных трехчастичных взаимодействий до сих пор не существует.

(Источник: Письма о физическом обзоре)

Однако как только это трехчастное действие построено, происходит много интересных явлений.

Например, более десяти лет назад исследователи из Бристольского университета в Великобритании представили «самодостаточное» квантовое охлаждение посредством трехчастичного взаимодействия.

Эксперимент, проведенный командой Лу Давея в 2024 году, лишь подтвердил вышеизложенную идею.

То есть, используя три атома углерода в кротоновой кислоте и комбинируя различные методы управления, разработанные квантовой системой ядерного магнитного резонанса, они успешно модулировали трехчастичное взаимодействие, необходимое для плана эксперимента.

В ходе исследования они измерили изменения работы и тепла в течение всего процесса и обнаружили, что в квантовую систему действительно не было поступления чистой энергии.

Кроме того, они отслеживали изменения температуры атомов мишени. Было обнаружено, что по мере охлаждения температура атомов мишени самопроизвольно снижается.

«Хотя академическое сообщество уже давно предсказало это в теории, когда это явление действительно наблюдается экспериментально, это вызывает чувство выполненного долга», — сказал Лу Давэй.

Недавно соответствующая статья была опубликована в журнале Physical Review Letters [4] под названием «Экспериментальная реализация автономного квантового охлаждения».

Хуан Кейи, студент бакалавриата Южного университета науки и технологий, является первым автором, а профессор Лу Давэй и доцент Не Синьфан из Южного университета науки и технологий выступают в качестве соавторов.

Рисунок | Похожие статьи (Источник: Physical Review Letters)

Я намеренно «продал недостаток», когда представлял свою рукопись, но рецензент дружелюбно указал на меня.

Лу Давэй сказал: «Нам действительно очень повезло. Оба рецензента PRL дали очень положительные отзывы. Фактически, из-за нишевого характера исследований квантовой термодинамики, особенно этого эксперимента, я уже подготовил и просмотрел рукопись. Люди готовятся. для долгосрочного перетягивания каната и даже намеренно «продать огрех» в тексте».

В результате один из рецензентов не только обнаружил этот недостаток, но и взял на себя инициативу помочь предложить решение этого «недостатка».

«Я был не только очень рад, когда увидел комментарии к обзору, но и почувствовал себя немного ошеломленным. Мне казалось, что я сделал что-то не так, когда был ребенком, и намеренно скрыл это, но моя мать Лу Давэй любезно указала на это». сказал.

Кроме того, рецензенты считают, что это экспериментальное исследование по квантовой термодинамике является одновременно важным и новым. Более того, что Лу Давея восхищало еще больше, так это то, что рецензенты даже задумывались о перспективах применения для них результатов.

Рецензент считает, что нынешний квантовый холодильник является лишь доказательством принципа и не будет иметь существенного применения в краткосрочной перспективе.

Однако технология квантового охлаждения действительно может дополнительно охладить кубиты и снизить частоту ошибок в процессе квантовых вычислений.

Следуя идеям рецензента, Лу Давэй и другие предложили теоретическую основу для использования охлаждения трехчастичного взаимодействия для инициализации квантовых вычислений.

«Это чувство похоже на чувство аспиранта, получившего заботу и руководство преподавателя. Я очень благодарен рецензентам PRL. Их академический уровень очень высок, а их идеи очень сильны. Они сделали нас более глубокими». осознавая важность научных дискуссий и сотрудничества», — сказал Лу Давэй.

(Источник: Письма о физическом обзоре)

Как упоминалось ранее, Хуан Кейи является первым автором этой статьи 2024 года. Лу Давэй, как его наставник, высоко оценил этого студента бакалавриата.

Лу Давэй рассказал, что в начале исследования он потратил 50 000 юаней на поиск старого оборудования, которому более 20 лет.

Тогда он сказал студентам, что это оборудование можно оставить для практики всем желающим. Затем он также поделился с Хуан Кейи статьей о теории «самостоятельных» квантовых холодильников, которая лежала на дне коробки.

Лу Давэй сказал Хуан Кейи: «Поскольку вы учитесь проводить эксперименты, не делайте этого. Что бы вы ни делали нового, по крайней мере, это результат. Ноги комаров — это тоже мясо».

Неожиданно, исполнительские способности Хуан Кейи были выдающимися. Он одним движением руки разъяснил все детали, а также одновременно изучал инструменты и проводил эксперименты. «Затем, когда он учился на втором курсе аспирантуры, он получил свою первую статью по PRL, — сказал Лу Давэй».

Однако экспериментальных исследований по квантовой термодинамике в этой области все еще относительно мало. После публикации статьи к ним снова обратились коллеги по теоретической физике. Кроме того, эти коллеги также выразили готовность сотрудничать в области квантовой термодинамики ядерного магнитного резонанса.

«В настоящее время мы ведем экспериментальное сотрудничество с тремя теоретическими группами, охватывающими многие широкие термодинамические области, такие как квантовая термодинамика, теория информации и теория ресурсов. Недавно статья, которую мы сотрудничали с командой Городского университета Гонконга, только что была принята PRL. Лу Давэй сделал последнее заявление.

Использованная литература:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.ПРЛ 129, 100603 (2022)

3.Национальный Математический вестник 21,1099 (2022)

4. Хуан, К., Си, Ц., Лонг, Х., Лю, Х., Фань, Я. А., Ван, Х., ... и Лу, Д. (2024). Экспериментальная реализация автономного квантового охлаждения. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Операция/набор: Хэ Ченлун

01/ Команда города Гонконга разрабатывает новый тип нанослойной мембраны, которую можно использовать для очистки пресной воды в особых случаях, и находит прорыв в применении двумерных материалов.

02/ Десятилетия химических проблем получили достоверные ответы. Ученые предложили новый микроскопический механизм растворения хлористого водорода с образованием соляной кислоты, что будет способствовать развитию множества дисциплин.

03/ Ученые создают новый метод контроля квантового зондирования, который может точно обнаруживать слабые сигналы и использоваться для обнаружения и управления отдельными ядерными спинами.

04/ Официально объявлены победители конкурса «35 лучших технологических новаторов в возрасте до 35 лет» в Китае по версии журнала «MIT Technology Review»!Станьте свидетелем инновационной силы научной и технологической молодежи в Шанхае.

05/ Команда Пекинского университета с динамической прочностью 14 ГПа успешно разработала сверхпрочные волокна из углеродных нанотрубок, которые можно использовать в качестве легких, высокоэффективных конструкционных и защитных материалов.