Wat te doen bij hoge brandstofprijzen? Kwantumfysica!

Boo
Carmans

In het derde leerjaar was ik ervan overtuigd dat ik later naar mijn werk zou gaan in een vliegende auto. Iets meer dan tien jaar later zijn er nog geen snelwegen in ons luchtruim en hoop ik voornamelijk dat er in de toekomst zuinigere wagens zullen zijn. Daarom ontwierp ik voor mijn masterproef een kwantum Otto motor.

Kwantum… Wat?

Oké, die laatste zin was een mond vol. Laten we dus eventjes de tijd nemen om rustig te kauwen. Kwantumfysica ontstond aan het begin van de twintigste eeuw en verklaart het gedrag van de hele kleine dingen, zoals bijvoorbeeld de atomen die alles rondom ons opbouwen. Op kleine schaal gelden andere wetten dan voor de grotere objecten die ons omringen. Dat maakt kwantumfysica soms ingewikkeld, maar biedt ook een enorme waaier aan nieuwe mogelijkheden. Want waar de heersende theorieën soms al eeuwenlang nee schudden, daar zegt de kwantumtheorie volmondig “Ja!”

Gaat het dan over een kleine motor?

Inderdaad! Een enorm kleine motor gebouwd naar het (grotere) voorbeeld van meneer Nicolaus Otto, de Duitse ingenieur die aan het eind van de negentiende eeuw ontwierp wat later de eerste benzinemotor zou worden. Deze motor haalt energie uit de verbranding van benzine, die dan wordt gebruikt om je auto aan te drijven. Hierbij gaat een deel van de opgewekte energie steeds verloren als warmte naar de omgeving. Dat kan je ook voelen: leg je hand maar eens op de motorkap de volgende keer na het boodschappen doen. De kat van de buren legt zich graag op dat warme metaal te slapen, maar degene die de brandstof betaalt, vindt dit vast minder leuk: we verbruiken zo immers altijd meer benzine dan strikt nodig zou zijn zonder dit warmteverlies. Helaas, net zoals toen de koeien stopten met zweven toen Newton de zwaartekracht ontdekte, zo ook ontdekte een andere fysicus het vastgelegde energieverlies van motoren. Maar zoals we al weten: waar de traditionele fysica grenzen stelt, daar springt kwantum fysica er vrolijk over. Kwantum motoren zijn namelijk in staat om het opgelegde energieverlies te verkleinen, zodat ze veel efficiënter kunnen werken dan hun grotere tegenhangers. Dat maakt hen erg interessant om te onderzoeken.

image 771

Kwantum schroeven

Als je een kwantum motor onder de microscoop zou leggen, heeft deze niet hetzelfde uiterlijk als een grotere motor, met zijn kenmerkende cilinders en tandwielen allemaal netjes in elkaar geschroefd. Wat ze wel gemeen hebben met hun grote broers is dat het uitzicht van meerdere kwantum motoren kan verschillen, ondanks dat hun werking dezelfde is. De meeste automotoren zijn gebaseerd op dezelfde werkingsprincipes, maar toch gebruiken verschillende merken verschillende materialen en designs. De kwantum Otto motor die ik voor mijn thesis ontwierp, kan worden ontwikkeld in diamant. Dan spreken we niet over de edelstenen die je terugvindt in juwelen, maar over synthetische diamant die in laboratoria wordt gemaakt. Waar bij juwelen de zuiverheid van de diamant erg belangrijk is, geldt dat voor de wetenschap niet per se. In deze synthetische diamant worden namelijk opzettelijk kleine onzuiverheden ingebracht die we NV centra noemen. Deze centra worden gebruikt in allerlei kwantum experimenten. Ik stuurde bijvoorbeeld vorig jaar als onderdeel van studententeam OSCAR-QUBE van de universiteit Hasselt een sensor gebaseerd op NV centra naar het internationaal ruimtestation ISS die vanuit de ruimte het magnetisch veld van de aarde opmeet.

Hoe werkt deze NV kwantum motor?

Een motor draait niet vanzelf en dat geldt ook voor een kwantum motor. Er zijn allerlei onderdelen die je gebruikt om je motor aan te sturen, al is het maar de simpele draai met de autosleutel die de boel in gang zet. Om de kwantum motor te bedienen worden geen sleutels of knopjes gebruikt, maar een afwisseling van groen laserlicht, microgolven (zoals in je microgolfoven) en radiofrequente golven (die inderdaad ook je radio doen spelen). Voor mijn scriptie ontwikkelde ik met deze controle-elementen een procedure om verschillende onderdelen van een NV centrum te besturen en zo energie uit de kwantum motor te halen. Verschillende experimenten bewezen dat de controle elementen naar behoren werken en momenteel staan we dicht bij de praktische uitvoering van de NV Otto motor.

image 773

Jaarlijks onderhoud

Als je auto begint te sputteren of er komt rook onder de motorkap vandaan, maak je een afspraak bij de garage voor een grondig nazicht van de verschillende motoronderdelen. Eigenlijk hoeven we zelfs niet op de al dan niet spreekwoordelijke damp te wachten en gaat vanzelf een controlelampje aan bij het minste probleem. Ook kwantum motoren hebben baat bij zo’n kleine controlelampjes. Dat is echter niet eenvoudig, aangezien het moeilijker is om de toestand van kleine deeltjes correct te meten en omdat de kwantum motor ook stuk kan gaan tijdens de meting. Grote motoren kunnen tegen een klein stootje, maar voor kleine motoren wordt dat stootje al snel te groot. Toch is het onmisbaar om goed te kunnen bepalen wat de staat van onze motor is, want als er een klein foutje optreedt kan dat snel groeien. Daardoor kan het energieverlies stijgen, of erger nog, kunnen de motoronderdelen vastlopen zodat we hen niet meer kunnen besturen. Daarom ontwikkelde ik tevens een methode om de toestand van het NV centrum erg precies te bepalen zonder deze te verstoren en de motorwerking te stoppen. Hiermee kan dan regelmatig de motorwerking worden nagegaan, zodat foutjes kunnen worden opgespoord en tijdig kunnen worden opgelost.

De motor van de toekomst?

Net zoals kleine batterijtjes het minder lang volhouden dan grotere, leveren kwantum motoren natuurlijk minder energie dan traditionele motoren. Door bijvoorbeeld erg veel kwantum motoren tegelijk aan te zetten kunnen echter toch grotere hoeveelheden energie worden geleverd. Daarnaast groeit het aantal kleinere applicaties die werken met minder energie sterk. Ook zij hebben behoefte aan een motor op maat. Diamant is eenvoudig te integreren in de huidige technologie en met de verhoogde efficiëntie van de kwantum motor spreken de voordelen voor zich. Ondanks de mooie vooruitzichten hoeft u in de komende jaren dus nog geen auto’s met kwantum motoren te verwachten. Elon Musk kan op zijn beide oren slapen… voor nu.

 

Bibliografie

  1. R. Kosloff and A. Levy, “Quantum Heat Engines and Refrigerators : Continuous Devices,” Annu. Rev. Phys. Chem., vol. 65, no. 93, pp. 365–393, 2014.
  2. F. Binder and L. A. Correa, Thermodynamics in the Quantum Regime. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 195 ed., 2018.
  3. S. Deffner and S. Campbell, An introduction to the thermodynamics of quantum information. San Rafael,: Morgan & Claypool Publishers, 2019.
  4. B. Cakmak, “Finite-time two-spin quantum Otto engines: Shortcuts to adiabaticity vs. Irreversibility,” Turkish Journal of Physics, vol. 45, no. 1, pp. 59–73, 2021.
  5. L. Childress and R. Hanson, “Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks,” MRS Bulletin, vol. 38, no. 2, pp. 134–138, 2013.
  6. P. C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N. Y. Yao, S. D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D. J. Twitchen, J. I. Cirac, and M. D. Lukin, “Room-temperature quantum bit memory exceeding one second,” Science, vol. 336, no. 6086, pp. 1283–1286, 2012.
  7. J. Cramer, N. Kalb, M. A. Rol, B. Hensen, M. S. Blok, M. Markham, D. J. Twitchen, R. Hanson, and T. H. Taminiau, “Repeated quantum error correction on a continuously encoded qubit by real-time feedback,” Nature Communications, vol. 7, no. May, pp. 1–7, 2016.
  8. T. Xie, Z. Zhao, X. Kong, W. Ma, M. Wang, X. Ye, P. Yu, Z. Yang, S. Xu, P. Wang, Y.Wang, F. Shi, and J. Du, “Beating the standard quantum limit under ambient conditions with solid-state spins,” Science Advances, vol. 7, no. 32, pp. 1–11, 2021.
  9. K. Ullah, E. Köse, M. C. Onbash, and Ö. E. Müstecaphoglu, “Steady state entanglement of distant nitrogen-vacancy centers in a coherent thermal magnon bath,” pp. 1–19, 2021.
  10. Y. Zhou, B. Li, X. X. Li, F. L. Li, and P. B. Li, “Preparing multiparticle entangled state of nitrogen-vacancy centers via adiabatic ground-state transitions,” Physical Review A, vol. 98, no. 5, pp. 1–11, 2018.
  11. J. W. Zhou, P. F. Wang, F. Z. Shi, P. Huang, X. Kong, X. K. Xu, Q. Zhang, Z. X. Wang, X. Rong, and J. F. Du, “Quantum information processing and metrology with color centers in diamonds,” Frontiers of Physics, vol. 9, no. 5, pp. 587–597, 2014.
  12. J. Zhang, S. S. Hegde, and D. Suter, “Efficient Implementation of a Quantum Algorithm in a Single Nitrogen-Vacancy Center of Diamond,” Physical Review Letters, vol. 125, no. 3, pp. 1–13, 2020.
  13. X. L. Ouyang, X. Z. Huang, Y. K. Wu, W. G. Zhang, X. Wang, H. L. Zhang, L. He, X. Y. Chang, and L. M. Duan, “Experimental demonstration of quantum-enhanced machine learning in a nitrogen-vacancy-center system,” Physical Review A, vol. 101, no. 1, pp. 1–6, 2020.
  14. J. Jiang and Q. Chen, “Selective nuclear-spin interaction based on a dissipatively stabilized nitrogen-vacancy center,” 2022.
  15. L. Schlipf, T. Oeckinghaus, K. Xu, D. B. R. Dasari, A. Zappe, F. F. De Oliveira, B. Kern, M. Azarkh, M. Drescher, M. Ternes, K. Kern, J. Wrachtrup, and A. Finkler, “A molecular quantum spin network controlled by a single qubit,” Science Advances, vol. 3, no. 8, pp. 3– 10, 2017.
  16. J. Klatzow, J. N. Becker, P. M. Ledingham, C. Weinzetl, K. T. Kaczmarek, D. J. Saunders, J. Nunn, I. A. Walmsley, R. Uzdin, and E. Poem, “Experimental Demonstration of Quantum Effects in the Operation of Microscopic Heat Engines,” Physical Review Letters, vol. 122, no. 11, pp. 1–34, 2019.
  17. S. Hernández-Gómez, N. Staudenmaier, M. Campisi, and N. Fabbri, “Experimental test of fluctuation relations for driven open quantum systems with an NV center,” New Journal of Physics, vol. 23, no. 6, 2021.
  18. S. Hernández-Gómez, S. Gherardini, N. Staudenmaier, F. Poggiali, M. Campisi, A. Trombettoni, F. S. Cataliotti, P. Cappellaro, and N. Fabbri, “Autonomous dissipative Maxwell’s demon in a diamond spin qutrit,” pp. 1–19, 2021.
  19. Gordon Davies, Diamond. Bristol: Hilger, 1984.
  20. C. Teale, “Magnetometry with Ensembles of Nitrogen Vacancy Centers in Bulk Diamond,” no. 2000, pp. 1–195, 2017.
  21. L. Rondin, J. P. Tetienne, T. Hingant, J. F. Roch, P. Maletinsky, and V. Jacques, “Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond,” Reports on Progress in Physics, vol. 77, no. 5, 2014.
  22. P. Deák, B. Aradi, M. Kaviani, T. Frauenheim, and A. Gali, “The formation of NV centers in diamond: A theoretical study based on calculated transitions and migration of nitrogen and vacancy related defects,” pp. 1–20, 2013.
  23. N. Wang, C. F. Liu, J. W. Fan, X. Feng, W. H. Leong, A. Finkler, A. Denisenko, J. Wrachtrup, Q. Li, and R. B. Liu, “Zero-field magnetometry using hyperfine-biased nitrogen-vacancy centers near diamond surfaces,” Physical Review Research, vol. 4, no. 1, pp. 1–33, 2022.
  24. A. K. Dmitriev and A. K. Vershovskii, “High-contrast two-quantum optically detected resonances in NV centers in diamond in zero magnetic field,” no. 1, pp. 3–6, 2019.
  25. T. Chakraborty, J. Zhang, and D. Suter, “Polarizing the electronic and nuclear spin of the NV-center in diamond in arbitrary magnetic fields: Analysis of the optical pumping process,” New Journal of Physics, vol. 19, no. 7, p. 73030, 2017.
  26. ChEBI, “CHEBI:36938 - nitrogen-14 atom.”
  27. L. Robledo, H. Bernien, T. V. D. Sar, and R. Hanson, “Spin dynamics in the optical cycle of single nitrogen-vacancy centres in diamond,” New Journal of Physics, vol. 13, 2011.
  28. J. P. Tetienne, L. Rondin, P. Spinicelli, M. Chipaux, T. Debuisschert, J. F. Roch, and V. Jacques, “Magnetic-field-dependent photodynamics of single NV defects in diamond: An application to qualitative all-optical magnetic imaging,” New Journal of Physics, vol. 14, 2012.
  29. E. Bourgeois, M. Gulka, and M. Nesladek, “Photoelectric Detection and Quantum Readout of Nitrogen-Vacancy Center Spin States in Diamond,” Advanced Optical Materials, vol. 8, no. 12, pp. 1–29, 2020.
  30. L. Kulik and W. Lubitz, “Electron-nuclear double resonance,” Photosynthesis Research, vol. 102, no. 2, pp. 391–401, 2009.
  31. J. F. Barry, J. M. Schloss, E. Bauch, M. J. Turner, C. A. Hart, L. M. Pham, and R. L. Walsworth, “Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry,” Reviews of Modern Physics, vol. 92, no. 1, 2020.
  32. I. S. Oliveira, T. J. Bonagamba, R. S. Sarthour, J. C. Freitas, and E. R. DeAzevedo, “Fundamentals of Quantum Computation and Quantum Information,” NMR Quantum Information Processing, pp. 93–136, 2007.
  33. A. Harrow, “Quantum states and operations Administrivia Basics : States , operations , metrics,” tech. rep., 2018.
  34. T. Dft, “Definition and properties of tensor products,” pp. 212–225, 2012.
  35. D. Vrancken, Quantum state tomography of electron and nuclear spin in NV center. Bachelor thesis, Hasselt University, 2021.
  36. E. M. Fortunato, M. A. Pravia, N. Boulant, G. Teklemariam, T. F. Havel, and D. G. Cory, “Design of strongly modulating pulses to implement precise effective Hamiltonians for quantum information processing,” Journal of Chemical Physics, vol. 116, no. 17, pp. 7599–7606, 2002.
  37. H. B. Callen, Thermodynamics and an introduction to thermostatistics. John Wiley & sons, second edi ed., 1985.
  38. F. Binder, S. Vinjanampathy, K. Modi, and J. Goold, “Quantum thermodynamics of general quantum processes,” pp. 1–6, 2015.
  39. A. Abragam and W. G. Proctor, “Spin temperature,” Physical Review, vol. 109, no. 5, pp. 1441–1458, 1958.
  40. F. J. Peña, O. Negrete, N. Cortés, and P. Vargas, “Otto engine: Classical and quantum approach,” Entropy, vol. 22, no. 7, pp. 1–7, 2020.
  41. T. D. Kieu, “Quantum heat engines, the second law and Maxwell’s daemon,” European Physical Journal D, vol. 39, no. 1, pp. 115–128, 2006.
  42. B. Cakmak and Ö. E. Müstecaplloglu, “Spin quantum heat engines with shortcuts to adiabaticity,” Physical Review E, vol. 99, no. 3, pp. 1–10, 2019.
  43. M. V. Berry, “Transitionless quantum driving,” Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, vol. 42, no. 36, pp. 1–9, 2009.
  44. R. Uzdin, A. Levy, and R. Kosloff, “Equivalence of quantum heat machines, and quantumthermodynamic signatures,” Physical Review X, vol. 5, no. 3, pp. 1–21, 2015.
  45. R. Uzdin, A. Levy, and R. Kosloff, “Quantum heat machines equivalence, work extraction beyond markovianity, and strong coupling via heat exchangers,” Entropy, vol. 18, no. 4, 2016.
  46. J. P. Peterson, T. B. Batalhão, M. Herrera, A. M. Souza, R. S. Sarthour, I. S. Oliveira, and R. M. Serra, “Experimental Characterization of a Spin Quantum Heat Engine,” Physical Review Letters, vol. 123, no. 24, p. 240601, 2019.
  47. J. P. Peterson, T. B. Batalhão, M. Herrera, A. M. Souza, R. S. Sarthour, I. S. Oliveira, and R. M. Serra, “Experimental Characterization of a Spin Quantum Heat Engine,” Physical Review Letters, vol. 123, no. 24, pp. 1–6, 2019.
  48. M. A Morrison and G. A Parker, “A Guide to Rotations in Quantum Mechanics,” Australian Journal of Physics, vol. 40, no. 4, p. 465, 1987.
  49. t. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty, “Electron gyromagnetic ratio,” 2018.
  50. M. Mirdrikvand, NMR Methods for Characterization of Mass Transport and Reaction Processes in Porous Materials. PhD thesis, 2020.
  51. Y. Sun, J.-Y. Zhang, M. S. Byrd, and L.-A. Wu, “Adiabatic Quantum Simulation Using Trotterization,” vol. 2, no. 1, pp. 1–5, 2018.
  52. N. Bar-Gill, L. M. Pham, A. Jarmola, D. Budker, and R. L. Walsworth, “Solid-state electronic spin coherence time approaching one second,” Nature Communications, vol. 4, 2013.
  53. P. Neumann, J. Beck, M. Steiner, F. Rempp, H. Fedder, P. R. Hemmer, J. Wrachtrup, and F. Jelezko, “Single-shot readout of a single nuclear spin,” Science, vol. 329, no. 5991, pp. 542–544, 2010.
  54. P. Wang, Z. Yuan, P. Huang, X. Rong, M. Wang, X. Xu, C. Duan, C. Ju, F. Shi, and J. Du, “High-resolution vector microwave magnetometry based on solid-state spins in diamond,” Nature Communications, vol. 6, pp. 1–5, 2015.
  55. V. K. Sewani, H. H. Vallabhapurapu, Y. Yang, H. R. Firgau, C. Adambukulam, B. C. Johnson, J. J. Pla, and A. Laucht, “Coherent control of NV- centers in diamond in a quantum teaching lab,” American Journal of Physics, vol. 88, no. 12, pp. 1156–1169, 2020.
  56. X. Rong, J. Geng, F. Shi, Y. Liu, K. Xu, W. Ma, F. Kong, Z. Jiang, Y. Wu, and J. Du, “Experimental fault-tolerant universal quantum gates with solid-state spins under ambient conditions,” Nature Communications, vol. 6, 2015.
  57. E. Knill, “Quantum computing with realistically noisy devices,” Nature, vol. 434, no. 7029, pp. 39–44, 2005.
  58. J. J. Pla, K. Y. Tan, J. P. Dehollain, W. H. Lim, J. J. Morton, F. A. Zwanenburg, D. N. Jamieson, A. S. Dzurak, and A. Morello, “High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon,” Nature, vol. 496, no. 7445, pp. 334–338, 2013.
  59. C. S. Unnikrishnan, “Quantum non-demolition measurements: concepts, theory and practice,” Current Science, vol. 109, no. 11, pp. 2052–2060, 2015.
Download scriptie (7.72 MB)
Genomineerde shortlist Eosprijs
Universiteit of Hogeschool
Universiteit Antwerpen
Thesis jaar
2022
Promotor(en)
Milos Nesladek
Kernwoorden
Kwantumthermodynamica, NV centrum, Otto motor, Quantum state tomography