南科大团队打造“自给自足”式量子冰箱，能为量子比特实现降温

作为曾经的中科大少年班成员，在同龄人眼中南方科技大学鲁大为教授大概是一种“英雄出少年”般的存在。

尽管在回顾自己的本科经历时，他坦言道：“早上大学真的很容易管不住自己。”

但他依旧在中科大先后取得本科学位和博士学位，并在加拿大滑铁卢大学完成博后研究之后，回国加入南方科技大学成为一名科学家。

与此同时，作为一名老师的他，也培养出了一位和自己一样的青年才俊——黄克毅。

前不久，由鲁大为担任通讯作者、黄克毅担任第一作者的论文，发在物理顶刊 Physical Review Letters 上。而在完成这篇论文之时，黄克毅只是一名本科生。

那么，这篇论文讲了什么？据介绍，通过利用核磁共振量子系统，他们验证了一种“自给自足”式的量子制冷（冰箱）原理。

图 | 从左到右：论文第一作者黄克毅、论文通讯作者鲁大为（来源：鲁大为）

通过设计和调控三个原子之间特定形式的“三体”相互作用，课题组构建了这种“自给自足”式量子冰箱。

整个制冷循环中完全无需额外供能，就能使其中一个原子被降温（类似于经典冰箱无需插电）。

这不仅是微观量子世界所独有的现象，同时也不违反经典的热力学定律。

对于应用前景鲁大为表示：“实用量子冰箱暂时肯定造不出来，同时我认为这种设备的实现难度不亚于构造通用量子计算机。但就像审稿人说的，将这种方法用于量子计算机中量子比特的降温，还是非常有前景的。”

（来源：Physical Review Letters）

从物理学中的“妖怪”说起

据介绍，经典热力学研究的是一个宏观系统，描述的是大量粒子的平均行为，并遵循牛顿力学和统计力学的规律。

人们由此定义了温度、内能、熵等一系列宏观量，并通过热传递和做功分析发明了热机、冰箱等设备。

量子热力学研究的则是微观的量子系统，尤其是研究只有少数粒子的系统。

它依赖于量子力学的基本原理，涉及到量子状态的叠加、纠缠和测量等。这导致量子热力学与经典热力学有着本质不同，也意味着几乎所有的经典热力学量都需要被重新定义。

举例来说，在经典的气缸-活塞模型中，可以通过活塞的运动定义做功，活塞压缩气体就是做“正功”，气体推开活塞则是做“负功”。

而在量子世界中，只有几个粒子的量子状态、以及支配它们演化的薛定谔方程。这时，做功则被定义为在量子状态不变的情况下系统能量的变化，能量升高就是做“正功”，反之则是做“负功”。

量子与经典中功的差异不仅在于定义，量子世界的功与信息之间还有着紧密的联系，这体现在著名的“麦克斯韦妖”佯谬中。

1867 年，英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出一个实验来探讨和挑战热力学第二定律，即热量总是自发地从高温物体流向低温物体。

麦克斯韦设想了一个微小的“妖”，并设想它守卫在一个分隔了两个气体室的门口。这两个气体室的初始时温度相同，即处于热平衡状态。

而“麦克斯韦妖”能够观察每个气体分子的速度，并能控制门的开关。当“妖”看到一个快速分子从左室向右室移动时，它会打开门并让分子通过。

当“妖”看到一个慢速分子从右室向左室移动时，它也会打开门并让分子通过。

通过这样的操作，“妖”能够将快速分子集中到右室，将慢速分子集中到左室，从而使右室的温度升高，使左室的温度降低。

这似乎违反了热力学第二定律，因为本来处于热平衡的两个气体室，居然在“妖”的引导下实现了高温区域和低温区域的分离。

正因此，“麦克斯韦妖”实验引发了学界的广泛讨论和研究，并拓展了热力学与信息论关系的认知。

现代物理学家认为，“麦克斯韦妖”并没有违反热力学第二定律，因为“妖”在观察分子并决定开关门时，需要获得信息。

而处理这些信息本身需要做功，特别是“妖”在擦除信息时熵会增加，这样一来就能弥补系统熵的减少。

基于此，“麦克斯韦妖”实验促进了信息论在热力学中的应用，揭示了信息处理和物理过程之间的深刻联系，为量子热力学的发展奠定了基础。

在量子热力学中，量子系统的热力学过程主要涉及到量子态的调控与测量，即“量子信息”的处理。

通过定义量子态的熵，学界逐步建立起量子信息和热力学之间的联系。这与“麦克斯韦妖”记录的信息和熵的变化有着异曲同工之妙。

同时，人们发现量子信息理论提供了一系列工具和技术，比如对于量子相干、量子纠缠、量子测量等新型量子资源来说，它们都可以为量子热力学的研究提供助力。

举例来说，通过量子纠缠等资源，能够提高热机或冰箱的效率。

量子热力学实验研究已被提上日程

尽管量子信息可以为热力学的发展带来全新的可能性。但是，要想在实际的量子系统中，探索和验证量子热力学理论，依然面临着很多挑战。

幸运的是，过去二十年随着学界对于量子信息技术的不断投入，人们对于量子体系的操控水平越来越高，并在量子计算、量子通信、量子精密测量等领域均实现了实验上的巨大突破。

那么，同样以量子信息的处理为核心技术的量子热力学实验研究，自然也就到了提升日程的时候。

量子热力学中的一个研究热点，便是量子热机/冰箱。

以量子冰箱为例，其基本功能和经典冰箱是一样的，即从一个较冷的物体中吸收热量，然后将这些热量释放到一个较热的环境中，从而实现制冷。

不过，与经典冰箱不同的是，量子冰箱是利用量子信息处理来实现这一制冷过程。其中，各类丰富的量子资源，可以为这一过程提供助力。

那么，如果能够精确地调控量子体系，制备出这些量子资源并加以有效利用，就可以在实验上实现量子冰箱。

核磁共振量子体系，是鲁大为团队的主要研究方向之一，即研究原子核与磁场的共振现象。

据介绍，原子核携带的自旋信息，既可以被调控、也可以被读出。事实上，这是一项又古老又新颖的技术。

说它古老，是因为其发展已经历了近一个世纪之久，电影《奥本海默》中的男配角伊西多·艾萨克·拉比（Isidor Isaac Rabi）正是因为发现核磁共振现象而获得了 1944 年诺贝尔物理学奖。

如今，现代核磁共振技术已经成为医疗检查必不可少的“利器”，即通过探测人体水分子中的氢原子，来判断患者的健康情况。

说它新颖，是因为作为量子体系的功能，核磁共振仅仅被开发二十余年。

事实上，在量子信息领域里，核磁共振是一个先驱性的实验平台。

通过将量子信息编码到原子核的自旋之中，再通过磁场进行调控和读出，从而能够完成各种量子信息任务，并能揭示很多奇妙的量子现象。

而从 2007 年读博开始，鲁大为在这个方向已经折腾了快二十年。

2012 年，鲁大为来到加拿大做博士后，在那里读到一篇“自给自足”量子冰箱理论文章[1]。

那时，他就觉得三体相互作用的想法很巧妙。但由于自己在博后期间主要研究核磁共振量子计算，因此他将主要精力用于推进量子比特数目和控制精度。

2017 年，鲁大为加入南方科技大学独立建组。随着超导电路、离子阱等量子体系的发展，利用核磁共振体系来实现量子计算机的劣势被不断放大。

2020 年，机缘巧合之下鲁大为读了一篇量子热力学综述论文。读完突然茅塞顿开，觉得核磁共振非常适合研究量子热力学。

毕竟这个体系研究的是真实的原子分子尺度的热力学，也具有室温和系综等很多独特的优势。

“给人一种《三体》小说的感觉”

那时，组里的研究生都有其他任务，于是鲁大为拉上了组里的两个本科生：读大三的朱炫然和读大二的黄克毅。

后来，他们利用核磁共振实现了“不定因果序”的量子冰箱。

“不定因果序”是一种奇妙的量子资源，它允许两个事件 A 和 B 的发生顺序能够并存。

即经典世界只允许先 A 后 B、或先 B 后 A，但量子世界允许这两种次序的“同时”存在。

在核磁共振设备上，该团队利用巴豆酸分子中的四个碳原子，实现了这种“不定因果序”，并将其作为量子资源驱动了量子制冷过程，实现了量子冰箱。

2022 年，相关论文发在 Physical Review Letters 上[2]。

鲁大为说：“当时担任这篇论文共同一作的朱炫然同学已经毕业，其实没能对他申请奖学金产生帮助。不过是金子总会发光的，他后来拿到了港府奖学金，目前在香港科技大学读博。”

与此同时，2022 年这篇论文还引起了不小的反响。著名科学图书作家、英国皇家学会科学图书奖获得者菲利浦·鲍尔（Philip Ball）博士在他 Nature Materials 专栏文章里，专门介绍了鲁大为课题组的实验[3]。

而在 2024 年，该团队研究了另外一种量子资源，即三体相互作用。这种作用听上去有些科幻，给人一种《三体》小说的感觉。

事实上，无论是大家熟悉的静电（库仑）力或万有引力，它们都是两个物体之间的作用。即便在量子世界中，天然的三体相互作用依旧是不存在的。

（来源：Physical Review Letters）

然而，一旦构造出这种三体作用，就会产生很多有趣的现象。

例如，十几年前英国布里斯托大学的研究人员就曾设想通过三体作用实现“自给自足”的量子制冷。

而鲁大为团队在 2024 年的这次实验，恰好验证了上述思想。

即利用巴豆酸中的三个碳原子，结合核磁共振量子体系所发展出的各种控制方法，他们成功调制出实验方案所需要的三体相互作用。

研究中，他们测量了整个过程中的功热变化，发现的确没有任何净能量输入到量子体系中。

此外，他们还追踪了目标原子的温度变化。发现随着制冷的进行，目标原子的温度一直在自发下降。

“虽然关于这一点学界在理论上早有预言，但当真的在实验上观测到这种现象，还是挺有成就感的。”鲁大为说。

日前，相关论文以《自给式量子制冷的实验实现》（Experimental Realization of Self-Contained Quantum Refrigeration）为题发在 Physical Review Letters[4]。

南方科技大学本科生黄克毅是第一作者，南方科技大学的鲁大为教授和助理教授聂新芳担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

投稿时故意“卖破绽”，却被审稿人友好指出

鲁大为表示：“我们确实非常幸运，PRL 的两位审稿人都给出了很正面的评审意见。其实由于量子热力学研究尤其是本次实验的小众性，我已经准备好和审稿人开展长期拉锯战的准备，甚至还在正文中故意‘卖了一个破绽’。”

结果其中一位审稿人不仅发现了这个破绽，还主动帮助他们提出了解决这一“破绽”的方法。

“我当时看到审稿意见除了很高兴之外，还有点哭笑不得的感觉。那种感觉就像小时候做错了事情故意隐瞒但还是被妈妈善意地点出来一样。”鲁大为说。

此外，审稿人认为本次关于量子热力学的实验研究既重要且新颖。而且，鲁大为更佩服的是审稿人连成果的应用前景都帮他们想好了。

审稿人认为，目前量子冰箱还只是原理性验证，短期之内不会产生实质性应用。

但是，量子制冷技术确实可以进一步地冷却量子比特，抑制量子计算过程中的错误率。

遵循审稿人的思路，鲁大为等人提出了将三体相互作用制冷用于量子计算初始化的理论框架。

“这种感觉就像那种得到导师殷切关怀和循循善诱的研究生一样。真的很感谢 PRL 的审稿人，学术水平很高，洞察力也很强，让我们更加深刻地意识到科学讨论与合作的重要性。”鲁大为表示。

（来源：Physical Review Letters）

如前所述，黄克毅是 2024 年这篇论文的第一作者。对于这名本科生，作为导师的鲁大为对其赞誉有加。

鲁大为说，在本次研究伊始，他花五万块钱淘到一台二十多年的老设备。

当时，他跟学生说这个设备可以留给大家练手。然后，他还把压箱底的“自给自足”量子冰箱理论论文分享给黄克毅。

鲁大为告诉黄克毅：“既然正在学习做实验，那也别干学，无论干出点啥新东西至少也是成果，蚊子腿也是肉。”

没想到黄克毅执行力爆表，刷刷刷就把各种细节厘清，还边学仪器、边做实验。“再然后他就在研究生二年级的时候，收获了人生中第一篇一作 PRL 论文。”鲁大为说。

不过，领域内关于量子热力学的实验研究依旧比较少。论文发表之后，联系他们更多的是理论物理的同行，此外这些同行还表达了合作开展核磁共振量子热力学的意愿。

“眼下，我们正在和三个理论组进行实验合作，涉及量子热力学、信息论、资源论等许多广义上的热力学领域。而在最近，和香港城市大学团队合作的论文也刚刚被 PRL 接收。”鲁大为最后表示。