量子熱力學:量子探測器的靈敏度如何?

2020-12-24 量子認知

量子物理學正在從實驗室轉移到日常生活中。儘管量子計算機可以解決經典計算機有些無法解決的問題，但技術上的挑戰仍然阻礙著將量子物理學帶入現實世界。

芬蘭阿爾託大學（Aalto University）和瑞典隆德大學（Lund University）的科學家研究團隊最近在《自然通訊》上發表的新研究成果，可以為這一探索提供重要工具，該項研究探索量子研究中的開放性問題之一：熱及熱力學與量子物理學如何共存的基本問題。

量子熱力學（quantum thermodynamics）是對兩種獨立的物理理論：熱力學和量子力學，之間關係的交叉研究領域。兩種獨立的理論涉及光和物質的物理現象。1905年，愛因斯坦提出熱力學和電磁學之間的一致性要求得出結論，光被量子化以獲得關係E = h ν。幾十年來，量子理論通過一套獨立的規則而建立起來。當前，量子熱力學解決了量子力學中熱力學定律的問題。它與量子統計力學的不同之處在於對不平衡的動力學過程的強調。 另外，還要求該理論與單個單獨的量子系統相關。

芬蘭科學院量子熱力學研究中心主任、量子熱力學專家朱卡-佩科拉（Jukka Pekola）教授指出：「這個領域一直被理論所主導，直到現在，重要的實驗才開始出現。」他的研究小組已著手創建可以通過實驗解決懸而未決的量子熱力學納米器件問題。

量子狀態，如控制量子計算機的量子位的量子態一樣，它們與周圍的環境相互作用，而這些相互作用就是量子熱力學所需要面對與處理的。對這些系統進行測量需要檢測到能量變化，這種變化以至於異常小，很難從波動背景中識別出來，就象試圖僅通過溫度計來確定房間中的蠟燭是否可能被吹滅。

另一個挑戰的問題是，量子態在測量時會發生變化，這僅僅是因為它們已經被測量過。這類似於將溫度計放入其中使水溫產生一定溫差。該研究團隊必須要製造出一個溫度探測器，這樣的溫度探測器能夠測量非常小的變化，而同時又不會干擾他們計劃測量的任何量子態。

研究人員使用的設備是一種極為特殊的量熱儀，用於測量量子系統中的熱量。它使用的銅絲帶比人的頭髮薄約1000倍。研究人員表示， 「我們的探測器吸收了量子態的輻射，預計將確定它們具有多少能量，以及它們如何與周圍環境相互作用。量熱儀的精確度存在理論上的限制，我們的設備現在正在達到該限制。 」

相關焦點

  • 刪除量子信息時會產生奇特的量子熱力學效應
    Trinity的研究人員在擦除量子的信息中發現了獨特的量子效應，這可能對量子計算晶片的設計產生重大影響。1961年，當時在IBM的Rolf Landauer發現了熱耗散與邏輯上不可逆的運算之間的關係，計算熱力學由此誕生。
  • 熱力學過程在量子尺度不可逆被首次證實
    原標題：熱力學過程在量子尺度不可逆被首次證實　　科技日報北京12月2日電 （記者劉霞）巴西和英國科學家攜手首次證實，熱力學過程在量子系統中不可逆。最新研究結論對於理解量子系統中的熱力學、設計量子計算機以及更深入地洞悉其他量子信息技術都大有裨益。 　　對於物理系學家們來說，包括薛丁格方程在內的微觀法則都是可逆的。
  • 科技話題:量子熱力學一般公式、商業中型液體運載火箭、遠古海洋...
    科技話題：量子熱力學一般公式、商業中型液體運載火箭、遠古海洋生物、新中微子探測法、「新氣候」、新算法 2020-09-17 17:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 我科學家建立並驗證絕熱開放系統的量子熱力學一般公式
    記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒等人與作者合作，建立了絕熱開放系統量子熱力學一般公式，在量子絕熱過程和熱力學絕熱過程之間建立了聯繫，並基於囚禁離子進行實驗驗證。研究成果日前發表在國際學術期刊《npj 量子信息》上。近年來，量子技術的發展使得精確製備和控制量子系統成為可能。那麼，在量子尺度下熱力學定律是否依然適用？
  • 中國科學技術大學建立並實驗驗證絕熱開放系統的量子熱力學一般公式
    中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子熱力學領域中取得重要研究進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人與巴西合作者建立了絕熱開放系統量子熱力學一般公式，在量子絕熱過程和熱力學絕熱過程之間建立了聯繫，並基於囚禁離子進行實驗驗證。
  • 量子計算機"九章"有多厲害?量子計算機概念股有哪些?
    這是我國首次實現「量子計算優越性」，這一突破也使我國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。12月4日，《科學》雜誌發表了該成果。　　難點眾多　　在設備的自主研發、技術革新上下功夫　　「九章」，既是中國古代的數學專著《九章算術》，也是牢固確立了我國在國際量子計算研究中第一方陣地位的量子計算原型機，二者皆有裡程碑意義。
  • 中國科大在基於單光子源的量子精密測量方面取得重要進展
    Sven Hofling等合作，在同時具備高純度、高不可分辨、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮，為基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎。 單光子源是光量子信息技術中的關鍵器件，不僅可以應用於量子通信、量子計算（特別是玻色取樣），同時也是量子精密測量的重要資源。量子精密測量中的一個重要方向是減少由於探測有限粒子而引起的統計漲落——散粒噪聲。
  • 量子高保真傳送實現,量子網際網路要來了,顛覆現有世界
    可行的量子網際網路（一種通過糾纏在遠距離共享量子位中存儲的信息的網絡）將改變數據存儲，精確感測和計算的領域，從而開創通信的新時代。使用最先進的單光子探測器和現成的設備通過光纖網絡傳送量子比特。費米實驗室量子科學計劃負責人，論文的合著者之一，費米實驗室科學家帕納吉奧蒂斯·斯潘佐裡斯（Panagiotis Spentzouris）說：「我們對這些結果感到非常興奮。」 「這是在構建將重新定義我們進行全球交流方式的技術的方式上的一項關鍵成就。」
  • 人類第一次看見量子糾纏!科學家終於拍攝到量子糾纏的照片
    對於量子糾纏的兩個粒子來說，量子力學得到的統計關聯性結果比定域性隱變量理論要強很多。因此，實驗是可以分辨出這兩種理論的。在文章中，貝爾給出了一個不等式來說明，如果用S來表示兩個粒子的統計關聯的程度，那麼：若S = 2，說明沒有量子糾纏；若 2 < S < 23/2 ，則說明存在量子糾纏。
  • 碾壓谷歌 「量子霸權」:詳解中國量子計算原型機-九章
    這一成果，使得我國成功達到了量子計算研究的第一個裡程碑——量子計算優越性（Quantum Supremacy，國外也稱之為 「量子霸權」）。　　值得一提的是，相關的論文已經於 12 月 3 日在線發表在國際知名的學術期刊《Science》上。　　那麼，量子計算原型機 "九章" 有多牛呢？
  • 什麼是量子計算機?「九章」確立的「量子計算優越性」有多厲害
    從外觀上看，與其說它是計算機，倒不如說是一臺敞開式的運算系統：實驗桌上3平方米左右的格子裡擺滿了上千個部件，「這些都是量子計算機原型機的光路」，潘建偉研究組的苑震生教授說，「正是通過我國自主創新的量子光源、量子幹涉、單光子探測器等，我們構建了76個光子的量子計算原型。」另一張桌子上，擺放著「九章」的接收器。
  • 潘建偉團隊登上《自然》:4600公裡量子通信網是如何實現
    1989年，當首個量子密鑰分發（QKD）實驗在IBM實驗室內實現，線路只有32釐米，而且因設備操作時會發出噪音，被調侃為只有聾子才破解不了量子保密通信。如今，在「墨子號」量子通信實驗衛星和京滬幹線的串聯下，中國已經實現了4600公裡的量子保密通信網絡，並為超過150名用戶提供服務。
  • 「量子柴郡貓」獨特量子特性 兩隻量子柴郡貓如何交換笑臉
    「量子柴郡貓」獨特量子特性 兩隻量子柴郡貓如何交換笑臉　　量子力學中的思想實驗「薛丁格的貓」已在學術界廣為人知，近年來國際科學界又提出一個前沿概念叫「量子柴郡貓」。近期，中國科學技術大學郭光燦院士團隊與南開大學學者合作，首次實現了光子的偏振與其本體分離，進而實現兩個光子偏振的無接觸交換，實驗揭示了「量子柴郡貓」的獨特量子特性，加深了人們對「什麼是物理實在」這一物理學基本問題的認識。　　在宏觀的經典世界中，物體的物理屬性比如質量、體積等，與物體本身不可分離，但在微觀的量子世界裡則有所不同。
  • 人類第一次看見量子糾纏!
    但是，當時這種高能光子的探測器比較難分辨量子糾纏。1981年，法國一位名為阿蘭·阿斯佩克特（Alain Aspect）的博士生用鈣原子激發產生的兩個可見光子做了實驗，也證明了實驗結果符合量子力學的預測，而不符合定域性隱變量理論，這相當於給定域性隱變量理論蓋上了棺材板。
  • 二維量子磁晶體中的「幽靈軟模」與KT物理
    通過大尺寸的量子多體熱力學與動力學計算，來自北航、復旦、中科院物理所和香港大學的研究團隊，成功「破譯」了二維阻挫磁性晶體TmMgGaO4 (TMGO
  • 九章量子計算機和你有啥關係?專家說:量子科技就在我們身邊!
    近日，中國九章量子玻色採樣原型機面世，讓量子信息技術研究再次成為熱議話題。什麼是量子？量子科技與晶片有何關係？量子晶片能否成為主流晶片？12月16日，2020深圳量子科技與晶片高峰論壇在金融科技大廈舉行，多位專家就上述問題進行了探討。
  • 沒有人真正理解量子力學,包括你
    這個方案讓我們對量子測量有了物理上的理解，並有望藉此改進量子理論。修正量子理論將成為物理學家們努力解決物理學中其他問題和尋找量子技術新應用的驅動器。量子力學無處不在到目前為止，物理學家和哲學家都認為，有缺點的不是量子力學，而是我們對它的理解。
  • 不可被破解的「量子網際網路」,離我們還有多遠?
    坐在布魯克海文大學光線充足的食堂裡，他那一頭齊肩的黑髮正努力掙脫馬尾辮的束縛，Figueroa是一個土生土長的墨西哥人，也是紐約州立大學石溪分校，他試圖解釋量子網際網路將如何運作。他抓起兩個塑料咖啡杯蓋、一個鹽罐、一個胡椒罐和一小杯水，開始像魔術師打牌一樣在午餐桌上移動它們。　　他指著兩個蓋子說：「我這裡有一個探測器，這裡也有一個探測器」。「現在有許多可能性。
  • 量子,究竟是個啥?
    圖｜airbus01量子：不可分割的基本物理單位要說清楚量子科技，顯然不是一篇短短的推送所能做到的。要知道，以普朗克、玻爾、薛丁格等巨擘領銜的頂尖科學家，努力了百年，也沒能把量子研究透。量子糾纏。所以，這篇推送會儘可能用通俗易懂的語言，說清楚量子科技研究的「量子」究竟是什麼，以便大家對量子科技有個基礎的認識，在聊起這個熱門話題的時候能夠略懂；而不是只會嚼「遇事不決，量子力學」這句爛掉的老梗。
  • 【量子物理】顛覆思維,讓你十分鐘搞懂量子力學
    但是真空中沒有物質，光是如何進行傳播的呢？      他們說，在所有空間中都存在一種看不見的物質，叫做「以太」，光就是通過「以太」進行傳播的。可是，如果「以太」真的存在，那麼地球以每秒30公裡的速度公轉，我們應該可以感受到迎面吹來的「以太風」。大量的實驗證明，並沒有「以太風」吹來。      由於牛頓無與倫比的學術地位，他的粒子理論佔據了主導。