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Como ex miembro de la promoción juvenil de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, el profesor Lu Dawei de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur es probablemente una especie de "héroe nacido de un niño" a los ojos de sus compañeros.

Aunque al recordar su experiencia universitaria, admitió: "Es muy fácil perder el control de uno mismo en la universidad por la mañana".

Pero aun así obtuvo una licenciatura y un doctorado de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. Después de completar una investigación postdoctoral en la Universidad de Waterloo en Canadá, regresó a China y se unió a la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur para convertirse en científico.

Al mismo tiempo, como profesor, también formó a un joven talento como él: Huang Keyi.

No hace mucho, se publicó un artículo con Lu Dawei como autor correspondiente y Huang Keyi como primer autor en la importante revista de física Physical Review Letters. Al momento de completar este artículo, Huang Keyi era solo un estudiante universitario.

Entonces, ¿de qué trata este artículo? Según los informes,Utilizando sistemas cuánticos de resonancia magnética nuclear, comprobaron el principio de una refrigeración cuántica (refrigerador) "autosuficiente".

Figura | De izquierda a derecha: Huang Keyi, primer autor del artículo, y Lu Dawei, autor correspondiente del artículo (Fuente: Lu Dawei)

Al diseñar y regular una forma específica de interacción de "tres cuerpos" entre tres átomos, el equipo de investigación construyó este refrigerador cuántico "autosuficiente".

No se necesita energía adicional en todo el ciclo de refrigeración para enfriar uno de los átomos (similar a un frigorífico clásico que no necesita estar enchufado).

Este no es sólo un fenómeno exclusivo del mundo cuántico microscópico, sino que tampoco viola las leyes clásicas de la termodinámica.

Con respecto a las perspectivas de aplicación, Lu Dawei dijo: "Definitivamente no se construirá un refrigerador cuántico práctico por el momento. Al mismo tiempo, creo que la dificultad de realizar un dispositivo de este tipo es nada menos que construir una computadora cuántica universal". Pero como dijo el crítico, utilizar este método para enfriar qubits en computadoras cuánticas sigue siendo muy prometedor. "

(Fuente: Cartas de revisión física)

Empecemos por los “monstruos” de la física.

Según los informes, la termodinámica clásica estudia un sistema macroscópico, describe el comportamiento promedio de una gran cantidad de partículas y sigue las leyes de la mecánica newtoniana y la mecánica estadística.

A partir de esto, la gente definió una serie de cantidades macroscópicas como la temperatura, la energía interna y la entropía, e inventaron equipos como motores térmicos y refrigeradores mediante la transferencia de calor y el análisis del trabajo.

La termodinámica cuántica estudia sistemas cuánticos microscópicos, especialmente sistemas con pocas partículas.

Se basa en los principios básicos de la mecánica cuántica, que implican la superposición, el entrelazamiento y la medición de estados cuánticos. Esto hace que la termodinámica cuántica sea fundamentalmente diferente de la termodinámica clásica y también significa que es necesario redefinir casi todas las cantidades termodinámicas clásicas.

Por ejemplo, en el modelo clásico de cilindro-pistón, el trabajo se puede definir por el movimiento del pistón. Cuando el pistón comprime el gas, realiza un "trabajo positivo" y cuando el gas empuja el pistón, realiza un "trabajo negativo". ".

En el mundo cuántico sólo existen los estados cuánticos de unas pocas partículas y la ecuación de Schrödinger que gobierna su evolución. En este momento, el trabajo se define como el cambio en la energía del sistema cuando el estado cuántico permanece sin cambios. Un aumento de energía es "trabajo positivo" y viceversa, es "trabajo negativo".

La diferencia entre el trabajo cuántico y el clásico no es sólo la definición. En el mundo cuántico también existe una estrecha conexión entre el trabajo y la información, que se refleja en la famosa paradoja del "demonio de Maxwell".

En 1867, el científico británico James Clerk Maxwell propuso un experimento para explorar y desafiar la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor siempre fluye espontáneamente de un objeto de alta temperatura a un objeto de baja temperatura.

Maxwell imaginó un pequeño "demonio" y lo imaginó custodiando una puerta que separaba dos cámaras de gas. Las temperaturas iniciales de las dos cámaras de gas son iguales, es decir, están en equilibrio térmico.

El "Demonio de Maxwell" puede observar la velocidad de cada molécula de gas y controlar la apertura y cierre de la puerta. Cuando el demonio ve una molécula rápida moviéndose desde la cámara izquierda a la cámara derecha, abre la puerta y deja pasar la molécula.

Cuando el demonio ve una molécula lenta moviéndose desde la cámara derecha a la cámara izquierda, también abre la puerta y deja pasar la molécula.

A través de tales operaciones, el "demonio" puede concentrar moléculas rápidas en la cámara derecha y moléculas lentas en la cámara izquierda, aumentando así la temperatura de la cámara derecha y reduciendo la temperatura de la cámara izquierda.

Esto parece violar la segunda ley de la termodinámica, porque las dos cámaras de gas, que originalmente estaban en equilibrio térmico, en realidad realizaron la separación de las regiones de alta y baja temperatura bajo la guía del "demonio".

Por esta razón, el experimento "El demonio de Maxwell" desencadenó extensos debates e investigaciones en la comunidad académica y amplió la comprensión de la relación entre la termodinámica y la teoría de la información.

Los físicos modernos creen que el "demonio de Maxwell" no viola la segunda ley de la termodinámica, porque el "demonio" necesita información cuando observa moléculas y decide abrir y cerrar puertas.

El procesamiento de esta información en sí requiere trabajo, especialmente cuando el "demonio" borra la información, la entropía aumentará, lo que puede compensar la disminución de la entropía del sistema.

Sobre esta base, el experimento "El demonio de Maxwell" promovió la aplicación de la teoría de la información en la termodinámica, reveló la profunda conexión entre el procesamiento de la información y los procesos físicos y sentó las bases para el desarrollo de la termodinámica cuántica.

En termodinámica cuántica, el proceso termodinámico de los sistemas cuánticos implica principalmente el control y medición de estados cuánticos, es decir, el procesamiento de "información cuántica".

Al definir la entropía de los estados cuánticos, la comunidad académica ha establecido gradualmente una conexión entre la información cuántica y la termodinámica. Esto es similar a los cambios de información y entropía registrados por el "Demonio de Maxwell".

Al mismo tiempo, se ha descubierto que la teoría de la información cuántica proporciona una serie de herramientas y tecnologías, como la coherencia cuántica, el entrelazamiento cuántico, la medición cuántica y otros nuevos recursos cuánticos, que pueden ayudar a la investigación de la termodinámica cuántica.

Por ejemplo, la eficiencia de los motores térmicos o los refrigeradores se puede mejorar mediante recursos como el entrelazamiento cuántico.

Se ha incluido en la agenda la investigación experimental sobre termodinámica cuántica

Aunque la información cuántica puede aportar posibilidades completamente nuevas al desarrollo de la termodinámica. Sin embargo, todavía quedan muchos desafíos por explorar y verificar la teoría de la termodinámica cuántica en sistemas cuánticos reales.

Afortunadamente, en las últimas dos décadas, con la continua inversión en tecnología de la información cuántica por parte de la comunidad académica, las personas se han vuelto cada vez más capaces de controlar sistemas cuánticos y han logrado resultados experimentales en campos como la computación cuántica, las comunicaciones cuánticas y la computación cuántica. Medición de precisión. Gran avance.

Entonces, es natural que se mejore la investigación experimental sobre termodinámica cuántica, que también utiliza el procesamiento de información cuántica como tecnología central.

Un foco de investigación en termodinámica cuántica es el motor térmico/refrigerador cuántico.

Tomando como ejemplo un refrigerador cuántico, su función básica es la misma que la de un refrigerador clásico, que es absorber el calor de un objeto más frío y luego liberar el calor en un ambiente más caliente para lograr el enfriamiento.

Sin embargo, a diferencia de los refrigeradores clásicos, los refrigeradores cuánticos utilizan el procesamiento de información cuántica para lograr este proceso de refrigeración. Entre ellos, varios recursos cuánticos abundantes pueden ayudar a este proceso.

Luego, si el sistema cuántico se puede controlar con precisión, estos recursos cuánticos se pueden preparar y utilizar de manera efectiva, y se puede realizar experimentalmente un refrigerador cuántico.

El sistema cuántico de resonancia magnética nuclear es una de las principales áreas de investigación del equipo de Lu Dawei, que consiste en estudiar el fenómeno de resonancia de los núcleos atómicos y los campos magnéticos.

Según los informes, la información de espín contenida en los núcleos atómicos se puede controlar y leer. De hecho, se trata de una tecnología antigua y nueva.

Se dice que es antigua porque su desarrollo ha durado casi un siglo. Isidor Isaac Rabi, actor secundario de la película "Oppenheimer", descubrió el fenómeno de la resonancia magnética nuclear y ganó el Premio Nobel de Física en 1944.

Hoy en día, la moderna tecnología de resonancia magnética nuclear se ha convertido en una "herramienta afilada" indispensable para los exámenes médicos, que consisten en juzgar la salud de los pacientes mediante la detección de átomos de hidrógeno en las moléculas de agua humana.

Se dice que es novedoso porque, en función de los sistemas cuánticos, la resonancia magnética nuclear se desarrolla desde hace más de 20 años.

De hecho, en el campo de la información cuántica, la resonancia magnética nuclear es una plataforma experimental pionera.

Al codificar información cuántica en el espín de los núcleos atómicos y luego controlarla y leerla a través de campos magnéticos, se pueden completar diversas tareas de información cuántica y se pueden revelar muchos fenómenos cuánticos maravillosos.

Desde que estudió su doctorado en 2007, Lu Dawei ha estado trabajando en esta dirección durante casi 20 años.

En 2012, Lu Dawei llegó a Canadá como becario postdoctoral, donde leyó un artículo sobre la teoría de un refrigerador cuántico "autosuficiente" [1].

En ese momento, sintió que la idea de la interacción de tres cuerpos era muy inteligente. Sin embargo, dado que estudió principalmente computación cuántica por resonancia magnética nuclear durante su período postdoctoral, centró su energía principal en aumentar el número de qubits y la precisión del control.

En 2017, Lu Dawei se unió a la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur para formar una organización independiente. Con el desarrollo de sistemas cuánticos, como circuitos superconductores y trampas de iones, las desventajas de utilizar sistemas de resonancia magnética nuclear para realizar computadoras cuánticas se han magnificado continuamente.

En 2020, Lu Dawei leyó por casualidad un artículo de revisión sobre termodinámica cuántica. Después de leerlo, de repente me di cuenta de que la resonancia magnética nuclear es muy adecuada para estudiar la termodinámica cuántica.

Después de todo, este sistema estudia la termodinámica a escala atómica y molecular real y también tiene muchas ventajas únicas, como la temperatura ambiente y el conjunto.

"Le da a la gente la sensación de la novela "El problema de los tres cuerpos".

En ese momento, todos los estudiantes de posgrado del grupo tenían otras tareas, por lo que Lu Dawei incorporó a dos estudiantes universitarios del grupo: Zhu Xuanran, un estudiante de tercer año, y Huang Keyi, un estudiante de segundo año.

Posteriormente, utilizaron la resonancia magnética nuclear para realizar un refrigerador cuántico con "orden causal indefinido".

El "orden causal indefinido" es un maravilloso recurso cuántico que permite que coexistan el orden de ocurrencia de dos eventos A y B.

Es decir, el mundo clásico sólo permite A antes de B, o B antes de A, pero el mundo cuántico permite la existencia "simultánea" de estos dos órdenes.

En el equipo de RMN,El equipo utilizó cuatro átomos de carbono en la molécula de ácido crotónico para lograr este "orden causal indeterminado" y lo utilizó como recurso cuántico para impulsar el proceso de refrigeración cuántica y realizar un refrigerador cuántico.

En 2022, los artículos relacionados se publicarán en Physical Review Letters [2].

Lu Dawei dijo: "Zhu Xuanran, coautor de este artículo en ese momento, ya se había graduado, lo que en realidad no le ayudó a solicitar becas. Pero el oro siempre brillará. Más tarde recibió una beca del gobierno de Hong Kong y Actualmente está cursando un doctorado en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong”.

Al mismo tiempo, este artículo de 2022 también causó un gran revuelo. El Dr. Philip Ball, un conocido escritor de libros científicos y ganador del Premio al Libro Científico de la Royal Society, presentó específicamente los experimentos del grupo de investigación de Lu Dawei en su columna Nature Materials [3].

En 2024, el equipo estudió otro recurso cuántico: la interacción de tres cuerpos. Este efecto suena un poco a ciencia ficción y le da a la gente la sensación de una novela de "Tres cuerpos".

De hecho, ya sea la conocida fuerza electrostática (Coulomb) o la fuerza gravitacional, son los efectos entre dos objetos. Incluso en el mundo cuántico todavía no existen interacciones naturales entre tres cuerpos.

(Fuente: Cartas de revisión física)

Sin embargo, una vez construida esta acción de tres cuerpos, ocurren muchos fenómenos interesantes.

Por ejemplo, hace más de una década, investigadores de la Universidad de Bristol en el Reino Unido imaginaron una refrigeración cuántica “autosuficiente” mediante la interacción de tres cuerpos.

El experimento realizado por el equipo de Lu Dawei en 2024 acaba de verificar la idea anterior.

Es decir, utilizando los tres átomos de carbono del ácido crotónico y combinando varios métodos de control desarrollados por el sistema cuántico de resonancia magnética nuclear, modularon con éxito la interacción de tres cuerpos requerida para el plan experimental.

Durante el estudio, midieron los cambios de trabajo y calor durante todo el proceso y descubrieron que, de hecho, no había ninguna entrada neta de energía en el sistema cuántico.

Además, rastrearon los cambios de temperatura de los átomos objetivo. Se descubrió que a medida que avanza la refrigeración, la temperatura de los átomos objetivo ha ido disminuyendo espontáneamente.

"Aunque la comunidad académica ha predicho esto en teoría durante mucho tiempo, cuando este fenómeno se observa experimentalmente, es una gran sensación de logro", dijo Lu Dawei.

Recientemente, se publicó un artículo relacionado en Physical Review Letters [4] con el título "Realización experimental de refrigeración cuántica autónoma".

Huang Keyi, estudiante universitario de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, es el primer autor, y el profesor Lu Dawei y el profesor asistente Nie Xinfang de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur son coautores correspondientes.

Figura | Artículos relacionados (Fuente: Physical Review Letters)

Deliberadamente "vendí un defecto" cuando envié mi manuscrito, pero el revisor me lo señaló amistosamente.

Lu Dawei dijo: "De hecho, somos muy afortunados. Ambos revisores de PRL dieron opiniones de revisión muy positivas. De hecho, debido a la naturaleza de nicho de la investigación en termodinámica cuántica, especialmente este experimento, ya preparé y revisé el manuscrito. La gente se está preparando para un tira y afloja a largo plazo, e incluso 'vender deliberadamente un defecto' en el texto".

Como resultado, uno de los revisores no sólo descubrió este defecto, sino que también tomó la iniciativa de ayudarles a proponer una solución a este "defecto".

"No solo me alegré mucho cuando vi los comentarios de la reseña, sino que también me sentí un poco estupefacto. Sentí como si hubiera hecho algo mal cuando era niño y lo oculté deliberadamente, pero mi madre amablemente lo señaló". dicho.

Además, los revisores creen que este estudio experimental sobre termodinámica cuántica es importante y novedoso. Además, lo que Lu Dawei admiró aún más fue que los revisores incluso pensaron en las perspectivas de aplicación de los resultados para ellos.

El crítico cree que el refrigerador cuántico actual es sólo una prueba de principio y no tendrá aplicaciones sustanciales en el corto plazo.

Sin embargo, la tecnología de refrigeración cuántica puede enfriar aún más los qubits y suprimir la tasa de error en el proceso de computación cuántica.

Siguiendo las ideas del revisor, Lu Dawei y otros propusieron un marco teórico para utilizar la refrigeración de interacción de tres cuerpos para la inicialización de la computación cuántica.

"Este sentimiento es como el de un estudiante de posgrado que ha recibido el cuidado y la orientación de un tutor. Estoy muy agradecido con los revisores de PRL. Su nivel académico es muy alto y sus conocimientos son muy sólidos. Nos han hecho más profundos. conscientes de la importancia de la discusión y la cooperación científicas", dijo Lu Dawei.

(Fuente: Cartas de revisión física)

Como se mencionó anteriormente, Huang Keyi es el primer autor de este artículo de 2024. Para este estudiante universitario, Lu Dawei, como su tutor, lo elogió mucho.

Lu Dawei dijo que al comienzo de esta investigación, gastó 50.000 yuanes para encontrar un equipo antiguo que tenía más de 20 años.

En ese momento, les dijo a los estudiantes que este equipo podía dejarse para que todos practicaran. Luego, también compartió con Huang Keyi el artículo sobre la teoría de los refrigeradores cuánticos "autosuficientes" que se encontraba en el fondo de la caja.

Lu Dawei le dijo a Huang Keyi: "Ya que estás aprendiendo a hacer experimentos, no lo hagas. No importa qué cosas nuevas hagas, al menos es un resultado. Las patas de mosquito también son carne".

Inesperadamente, la capacidad de ejecución de Huang Keyi fue sobresaliente. Aclaró todos los detalles de un solo golpe y también aprendió instrumentos y realizó experimentos al mismo tiempo. "Luego, cuando estaba en su segundo año de posgrado, obtuvo su primer artículo de PRL como primer autor", dijo Lu Dawei.

Sin embargo, todavía hay relativamente pocos estudios experimentales sobre termodinámica cuántica en este campo. Después de la publicación del artículo, colegas de física teórica se pusieron en contacto con ellos. Además, estos colegas también expresaron su voluntad de colaborar en la termodinámica cuántica de resonancia magnética nuclear.

"Actualmente, estamos llevando a cabo una cooperación experimental con tres grupos teóricos, que cubren muchos campos termodinámicos amplios, como la termodinámica cuántica, la teoría de la información y la teoría de los recursos. Recientemente, el artículo que colaboramos con el equipo de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong acaba de ser aceptado por PRL ". Lu Dawei hizo la declaración final.

Referencias:

1.PRL 105, 130401 (2010)

2.PRL 129, 100603 (2022)

3. Mat. Nacional 21,1099 (2022)

4.Huang, K., Xi, C., Long, X., Liu, H., Fan, YA, Wang, X., ... y Lu, D. (2024). Realización experimental de refrigeración cuántica autónoma. Physical Review Letters, 132(21), 210403.

Operación/composición tipográfica: He Chenlong

01/ El equipo de la ciudad de Hong Kong desarrolla un nuevo tipo de membrana de nanocapas, que puede usarse para el tratamiento de agua dulce en escenarios especiales y encuentra avances para la aplicación de materiales bidimensionales.

02/ Décadas de problemas químicos han recibido respuestas creíbles. Los científicos han propuesto un nuevo mecanismo microscópico para la disolución del cloruro de hidrógeno para formar ácido clorhídrico, que promoverá el desarrollo de múltiples disciplinas.

03/ Los científicos crean un nuevo método de control de detección cuántica que puede detectar con precisión señales débiles y puede usarse para detectar y controlar espines nucleares individuales

04/ ¡Se anuncian oficialmente los nuevos ganadores de China de los "35 principales innovadores tecnológicos menores de 35" de "MIT Technology Review"!Sea testigo del poder innovador de la juventud científica y tecnológica en Shanghai

05/ Con una resistencia dinámica de 14GPa, el equipo de la Universidad de Pekín desarrolló con éxito fibras de nanotubos de carbono súper resistentes, que pueden usarse como materiales estructurales y protectores livianos y de alto rendimiento.