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接近绝对零度死寂中,居然隐藏量子计算这样大杀器?

2019-08-31 点击:593 钢材新闻


回到地面ID:fanpu2019

在炎热的夏天,我们将空调视为救星。今天的都市人可能无法想象没有空调会发生什么。当我坐在屋里享受凉爽的微风吃冰西瓜时,你有没有想过这个“冰”是怎么来的?物理学家和工程师如何逐步为成千上万的家庭带来凉爽?当然,物理学家的野心远不止于此。热力学第三定律给出“绝对零度”:-273.15摄氏度(0K),系统的熵达到固定值零。好的,我们想要这个温度!

为什么我们要在极低温度下关注世界?事实上,我们的宇宙从一开始就一直在降温,直到今天只有大约2.7K。随着时间的推移,宇宙将进一步降温到绝对零度,这归因于死亡。然而,正是在这个冷却过程中,逐渐暴露出由环境温度隐藏的各种冷凝现象,形成各种复杂的材料和材料,构成了我们多姿多彩的世界。当温度接近绝对零度时,我们甚至发现有改变世界的隐藏力量!今天,我将介绍这些科学研究的基础知识。用于创建低温环境的低温技术。

作者|无辜(量子计算的从业者)

一个世纪以前,莱顿大学的Heike Kamerlingh Onnes教授首次液化氦气,打开了极低温物理世界的大门。在此基础上,Annes自己发现了汞的超导性,成为第一个超导电性的人。在过去的100年中,低温技术不断得到改进。减压冷却,3-He制冷,绝热去磁,稀释制冷等技术逐渐出现并商品化,温度环境逐渐从4.2K提高到1K,500mK,100mK,低于10mK。

今天,低温技术在材料和基础物理研究中如此受欢迎,以至于许多科学家无法专注于低温技术本身,或者认为它就像真空技术那样的。今天,写这篇关于低温特别是超低温采集技术的文章,是希望更多的人能够更多地关注低温技术,这将有利于中国低温技术的进一步发展。

为什么我们需要低温?

当混乱首次打开时,我们的宇宙开始从大爆炸中冷却下来。在该冷却过程中,分离出四种基本的相互作用力,分离出各种基本粒子,形成原子,凝聚物质,形成星系。经过数千万年的扩张和冷却,它终于成为现实。到现在为止,世界创造的遗迹,即宇宙的“微波背景辐射”无处不在。宇宙具有非常高的温度,从爆炸开始甚至基本力无法区分冷却到当前微波背景辐射仅2.7K温度。

可以预见,这种冷却将继续下去。有人(凯尔文勋爵,被上述温度单位K尊敬的科学家)预测宇宙有一天会变成死寂,没有光,没有运动,因为那时整个宇宙的温度将下降到绝对零度可以冻结所有运动的温度。当然,后来的量子力学告诉我们,波动是永恒的。即使在绝对零度时,仍会存在量子涨落,粒子仍然会移动,并且光仍然会产生并消失。然而,宇宙冷却的趋势是不可阻挡的,热力学第二定律的速度是无限坚定的,我们的太阳最终将是黯淡的,我们的星球最终会失去它的光,成为一个绝望的地狱。

957f-icqznfz4860507.jpg宇宙微波背景辐射。在宇宙膨胀期间,原始光子继续发生红移,这相当于宇宙的恒定冷却。直到今天,这种背景辐射的特征是同样的2.7K NASA/WMAP

让我们仔细看看这个冷却过程中发生的事情。当温度足够高时,所有颗粒都处于自由状态,它们会碰撞,结合并分离。世界是混乱的。只有当温度降低时,质子才能最终捕获电子以形成氢原子。进一步冷却后,这些原始颗粒可在重力作用下聚集形成星形发动机。当恒星内部聚合释放的能量不足以支撑重力时,恒星将爆炸并喷射大量重元素。这些重元素在恒星外的低温环境中重新聚合,分子和晶体开始形成,最终形成行星,如我们的星球。地球进一步冷却后,生命终于诞生并持续至今。

在整个过程中,我们可以看到一个基本线索:温度逐渐降低,新的聚集现象逐步发生。从物理学的角度来看,这是不同对称性的逐渐破坏。然后我们不禁要问:如果温度进一步降低,还会发生什么其他凝聚力?这些新的凝聚力现象及其影响能给我们带来益处吗?这是凝聚态物理学家永恒的主题,也是低温技术发展的原动力。

低温和量子力学

量子力学的创造和发展起初与低温没有多大关系。量子力学现象存在于光子,电子和原子中。这些颗粒具有高能量并且远高于室温引起的热波动,因此它们在室温下可以表现出各种奇妙的量子现象。随着物理探索进一步走向更微观的世界,它正逐渐从低温中消失,因为打开基本粒子的魔术盒通常需要更高的能量。然而,我们的现实世界最终是宏观的。我们所接触和感知的都是宏观对象。由于量子力学可以支配微观世界,而宏观物体都是由微观粒子构成的,量子力学如何影响宏观世界?

早期的物理学家悲观地发现,曾经在宏观世界中,量子效应“消失了”。不可能使用薛定谔方程来解决如何形成一杯水,并且更不可能在一杯水和另一杯水之间发现干涉或量子纠缠。下一个自然问题是:量子(微观)和经典(宏观)之间的界限在哪里?由于两者都有一套完整的理论来准确描述它们,它们如何结合在一起?薛定谔真正的“量子之父”提出了着名的“薛定谔猫”思想实验来解释量子与经典的结合是多么荒谬。一只死去的,可怜的猫。

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薛定谔的猫。如果我们认为猫也可以通过波函数描述,我们将得出一个不同的结论:我们总是可以构建一个测量,之后系统将崩溃为“死猫”和“活猫”。叠加状态,这显然不是现实所允许的

件和运动方程来解决它们。其中最具开创性的是玻尔兹曼。他首先从统计学的角度思考物理学:即使我们无法理解每个粒子运动的细节,我们也可以从其集体行为中获取信息。

玻尔兹曼未能活在参与建立量子力学大楼的黄金时代。他在当代学术界严重偏见中自杀。但这并不妨碍统计物理学在研究多体问题和各种宏观现象方面取得巨大成功,也无法阻止后来者站在他的肩膀上继续前进。特别是在超导性出现之后,这种宏观量子效应迫使人们从另一个角度观察内聚现象:忽略电子的个体行为并观察它们的集体行为。这就像北京这样的超级城市。如果你观察每个人的轨迹,你会发现涉及大量噪音和随机性的个人行为,并且只使用统计方法来站在更高的角度。为了发现社会行为趋势。 P.W.安德森有一句名言:“更多是不同的。”更加不同。这是相当哲学的,无论什么交互系统,都会有更多的新订单。固体中的电子和群体动物的社会性质继续形成一个复杂的宇宙物质网络,由恒星星团,星系团聚成的星系和星系团组成。

低温使得被热量波动覆盖的这些团块显示出一点点。当温度低于某一聚集现象的特征能量范围时,这种聚集现象就会显现出来并且会令人惊艳。空气,这种看不见的物质,随着它逐渐冷却,你会发现水开始凝结成冰,继续冷却,二氧化碳,氧气,氮气,氢气甚至氦气都会凝结。继续冷却,有新的现象在等着你。

如何获得低温?

对于隔离的多体系统,系统的温度将继续降低,只要它试图连续提取能量,或保持能量泵送速度快于输入能量。在现代实用技术中,实现低温的方法一般可分为三类。

一种是基于气体动力学从低温端连续提取热量,如斯特林冰箱,G-M冰箱,脉冲管冰箱等;

另一种是直接使用低温制冷剂冷却;

另一种是使用某些物理和化学现象,如热电效应,顺磁效应,隧道效应等。

以日常生活为例,我们家庭的冰箱和空调属于第一类制冷技术;我们喝的冰可乐和冰咖啡经常把一些冰块放进杯子里冷却,这是第二类;就第三类制冷而言,据我所知,一些饮水机使用“电子制冷”技术来获取冷水。利用的基本原理是温差的热电效应。

小鱼将会焕发活力。

对于较低的温度,例如零下250度,液氮是无能为力的。此时,我们需要一种液化温度较低的气体作为“制冷剂”。除了早期除去的液态氮更多外,还包括液氦(液化温度27.1K),液氢(20.3K)和液氦(4.2K)。液氦和液氢现已从历史舞台上撤出,只留下液态氮和液态氦,两者都是高度惰性且使用安全的。话虽如此,我记得当我第一次进入物理学研究生课程时,郑先生为我们做了实验安全培训,并在中间讲了一个故事,这是如此令人印象深刻:

在早期,物理研究所的低温技术确实使用液态氢。有一次,几位苏联专家发现,一瓶耗尽的液态氢气罐被冷冻在口中,因此用酒精灯烘烤,希望能将冰块关闭。非常悲惨,他们错误地认为里面没有氢,但实际上有残留和泄漏。当酒精灯接近时,一声巨大的爆炸响起,小楼被炸毁,几名专家当场死亡。幸运的是,当时有很多思想教育会议。据说我们自己的科学家去了其他建筑物学习,并幸免于难。

目前,几乎所有低于液氮温度的制冷技术都与氦(He)有关。氦是一种非常轻的惰性气体,它很轻,地球的引力无法捕获它。目前,大气中氡的天然含量约为百万分之五,而且这种浓度将继续下降。氦的液化温度为4.2K,即使降至绝对零度,也不会变成固体。通过降低液氦的蒸气压,我们可以进一步降低液氦的温度(目前的技术可以降低到约0.8K)。氦还具有同位素(3-He),其比正常的氦原子少一个中子。可以想象,在天然氦中,它的丰度甚至更低(因为地球的重力不太可能捕获它)。 3-He同位素的比例仅为百万分之一,并且难以将3-He与自然分开。然而,可以从人工核反应(例如氢同位素向3-He的变化)获得足够的3-He。

当温度降低至约2.1K时,液氦将经历进一步的相变,变成“超流体”,并且超流体的特征在于几乎没有粘度。在表面张力下,任何与液氦超流体接触的壁表面都会爬上一层薄薄的珐琅薄膜。这是一个非常有趣的现象,但它超出了本文的范围,超流体现象和一个新的浓缩状态玻色 - 爱因斯坦凝聚是相关的,感兴趣的读者可以从其他来源学习。 1972年,D。D. Douglas Osheroff等人。在2mK发现了两个新的3-He液相,分别称为3He-A和3He-B,它们是超流体。根据3-He的比例,我们将这两个阶段称为“密相”(包括3-He更多)和“稀相”(包括3-He更少)。因为3-He较轻,所以致密相漂浮在稀相之上。进一步发现3-He致密相的焓(即系统中包含的总热量)低于稀相,这意味着如果3-He原子从密相到“渗透”到稀释阶段,必须从外界吸收额外的热量。这种现象已成为目前市售的低温技术稀释制冷技术的基本原理。

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冰箱的稀释示意图,看似简单的结构内部极其精确,厚管内部实际上有细线圈毛细管,小混合室有密集的热交换结构

更令人惊奇的是,通过实验发现,即使温度达到绝对零度,大约6.4%的3-He也可以保留在密相中,这意味着即使温度接近绝对零度,稀释制冷过程也可以保持。这使得稀释冷却成为可以应用于接近绝对零度的制冷技术。目前,商用稀释冷却器一般可达到约10mK(仅比绝对零度高0.01度),实验室可优化至甚至低于2mK。在这个温度下,热波动的能量小于电子伏特的百万分之一,产生大量的低能量凝聚现象,以及具有超精细能级的系统的量子行为,让我们探索一下。

去年,我们的国家自然科学一等奖授予了由薛启坤院士领导的五位科学家,以表彰他们对量子异常霍尔效应实验发现的杰出贡献。这种新的量子现象需要在非常低的温度下测量,测量环境由稀释冷却器提供。事实上,这个实验是在六年前完成的。那时,国内的低温测试环境非常稀缺,要进行这样的世界级实验并不容易。

稀释制冷和量子计算

量子计算是一种新的计算方式。利用量子力学的原理,如叠加和纠缠,它可以实现比传统计算机高得多的计算能力。目前,最先进的量子信息技术,如量子计算和量子通信,已成为当前科学和工业界的热点。以谷歌和小发猫为代表的科技公司在量子计算机甚至量子计算机的研究和开发方面投入了大量资源。这项研究达到了顶峰。量子计算科学可以用作另一个主题,甚至是一系列专题讨论。在互联网上很容易找到好的科学资料。我们不会在这里深入讨论它。我们仍然关注量子计算和稀释制冷技术之间的关系。

有两种主要类型的量子计算解决方案必须依赖于极低温环境:一种是超导量子计算,另一种是基于半导体量子点的自旋量子计算。这两种技术解决方案必须非常冷,因为它们都使用极高的能量水平。以熟悉的超导量子计算为例,它利用约瑟夫森电路中超导相的精细能级。在该量子电路中,从基态到第一激发态的能量差对应于约4-6GHz的频率。 (1 GHz=109 Hz),相应的波长约为6 cm。为了比较,我们可以看到可见光,绿光的波长约为500nm,相应的频率约为6x1014Hz。因此,量子计算中使用的光子能量比可见光小5个数量级!

对于这种低能级,为了保持量子态的相干性,环境中的噪声(波动)必须远低于该能级差。然后,在上面的例子中,有必要清楚地看到量子电路中的量子态。对于相干演变,所需的环境温度需要低至30 mK或更低。当然,越低越好。在如此高的要求下,目前人类控制的基本制冷技术基本耗尽,只剩下稀释和冷却。 (当然,还有一种更为变态的制冷技术核绝热退磁,对量子计算有点过剩。)

f1f8-icqznfz4860980.jpg“第一台”商用量子计算机小发猫System One,在玻璃盖内,像一件艺术品,隐藏了稀释冷却器

中国的稀释冷水机组

稀释制冷技术很早就已商品化。从1951年开始,Heinz London提出了可以通过使用超流动4-He稀释3-He来冷却它的理论。从现在开始已有六十多年了。稀释冷却器仍然是非常昂贵的设备,但它们并不罕见。中国从事低温运输和量子计算研究的顶级团队拥有十多台稀释冷却器,使中国成为许多前沿基础研究领域的世界领先者。然而,不幸的是,中国在稀释制冷技术方面仍然是空白。据我所知,配备稀释冷却器的国内研究团队不使用牛津仪器,Bluefors,Janis和Leiden。牛津位于英国,Bluefors位于芬兰,莱顿位于荷兰,欧洲,Janis位于美国。

更有趣的是,中国有一个团队。中国科学院物理与化学研究所的齐泽泽先生可以制造稀释冷却器,他们生产的冷水机组也出口到美国!非常可怜,当时,为了赚取外汇,卖给美国的稀释冷水机非常便宜,只需5000美元左右!今天,这支球队的主要成员要么已经去世,要么退役,没有年轻人可以继续他们的职业生涯。原因很难辨别,只能从仍然活着的老科学家那里听到。问题是,有多少人愿意听?

当我是博士学位时在物理学的学生,我遇到了一个非常聪明和有能力的焊工。我曾经叫东东,现在我称他为“东哥”。那年他参与了稀释冷却器的研究和开发,他完成了非常复杂的焊接任务。不幸的是,当他48岁时,他遭遇了一场大灾难。一辆在相反方向行驶的酒驾车翻滚过来。然后他从空中飞过隔离带,砸到他的车里。董戈当时正在流血。人员。虽然他后来被救了,因为受伤的部分只是大脑,他忘记了许多人和事,到目前为止左臂和左脚都不方便移动。以前大师的技能变成了记忆和谈话,我不堪重负!在过去开发的稀释冷却器中,气体管理控制部件已经清洁和退役。现在只剩下一个冷却器主体,每天都有灰尘落在角落里。

397a-icqznfz4861078.jpg齐启泽先生的手稿

令人欣慰的是,随着量子计算的“东风”的吹拂,中国人终于重新开始了稀释冷却器的发展。广东省科技厅甚至发布了一个特殊项目,提供数以千万计的项目,以促进稀释冷水机组的发展。 CSIC的子公司南京鹏立公司和冰牛农将合作为中国科技大学建设“半国内”稀释冷水机组。稀释制冷模块的核心仍由外国公司提供。

稀释制冷技术是一种“卡颈”技术吗?我无法判断它。目前,我们仍然可以购买稀释的冷水机组。但我所知道的是,如果有一天量子计算技术真正实用,稀释制冷技术将迎来前所未有的市场。如果我们现在不这样做,将来我们将缺席。如果量子计算在未来遇到瓶颈并陷入低谷,如果我们拥有自己的稀释制冷技术,我相信对国内极低温度的物理探索仍将大大推进。

那么,我们的全国稀释冷却器有多远?王子们拭目以待!

《返朴》,致力于科学。国际着名物理学家温晓刚和生物学家严宁连是主编,编辑委员会将与数十名学者一起与您合作。关注《返朴》(微信号:fanpu2019)参与更多讨论。如需第二次转载或合作,请联系。

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