读量子霸权15瓶中的太阳

1.太阳为什么会发光？ 1.1.燃料的燃烧最多只能持续几个世纪或者几千年，而且我们都知道太空是真空的，所以根本没有产生火的条件 1.2.太阳主要由氢组成，通过融合氢原子核形成氦原子来获得巨大的能量 1.2.1.当原始氢的重量与后形成的氦的重量进行比较时，我们会发现两者之间存在一个微小的质量损失 1.2.2.在核聚变过程中，原始质量的一小部分损失了 1.2.2.1.爱因斯坦著名的方程E=mc^2最终揭开了太阳的秘密 1.2.2.2.这种质量损失演变成了照亮太阳系的巨大能量 1.3.当氢原子通过氢弹的爆炸释放出来之后，大家才意识到氢原子内部原来蕴藏着如此巨大的能量 1.3.1.从某种意义上说，就像太阳的一部分被带到了地球上，这对人类而言意义十分重大 2.聚变 2.1.从理论上看，聚变似乎确实是解决人类所有能源问题的一个理想方案 2.1.1.有人形容这个应用就好比把太阳装进了瓶子里 2.2.它将产生无限能源，而不会出现化石燃料或者核能带来的各种问题 2.3.聚变是碳中和的，能够使人类永远不用担心全球变暖带来的影响 2.4.实际上，核聚变反应堆至今仍非常昂贵和复杂 2.4.1.随着量子计算机时代的到来，科学家又看到了希望，如果量子计算机能够解决阻碍核聚变投产的一些顽固问题，那么就可以为核聚变反应堆的实用化和经济化铺平道路 2.4.2.量子计算机可能会成为让核聚变进入千家万户和大城小市的一项关键技术 3.核聚变的优势 3.1.通过核聚变将氢融合在一起形成氦，另一种是通过裂变将铀或钚原子分裂释放核能 3.1.1.质量能够以核能的形式存在 3.2.所有商业核电站的能源都是通过铀裂变获得的，但核聚变有一些显著的优势 3.3.与核裂变发电站不同，核聚变不会产生大量致命的核废料 3.3.1.在裂变反应堆中，铀核分裂，释放能量，但同时也会产生数百种放射性裂变产物，如锶-90、碘-131、铯-137等 3.3.2.一些放射性副产品的放射性将持续数百万年，这就需要在未来很长一段时间内对巨大的核废料堆进行保护 3.3.3.一个商业裂变工厂在一年内就能产生30吨高放废物 3.3.4.核废料堆就像一个实实在在的巨大坟墓，全世界有37万吨致命的裂变产物需要被仔细监控 3.4.核聚变发电站将氦气作为废物，而氦气实际上也具有商业价值 3.4.1.核聚变发电站的一些辐照过的钢材在使用几十年后也可能具有放射性，但这些钢材很容易处理和掩埋 3.5.与核裂变发电站不同，核聚变发电站不会发生熔毁 3.5.1.在核裂变发电站中，即使反应堆关闭，废物也会继续产生大量热量 3.5.2.当核裂变发电站发生事故失去冷却水时，温度会飙升，直到反应堆达到5000华氏度（2760摄氏度）并开始熔化，从而引发灾难性的爆炸 3.5.3.1986年在切尔诺贝利，蒸汽和氢气爆炸将反应堆的屋顶炸飞，使堆芯中约25%的放射性物质释放到大气和欧洲上空 3.5.3.1.这是历史上最严重的商业核事故 3.5.4.如果核聚变反应堆发生事故，核聚变过程就会停止，不会产生更多的热量，也就不会发生事故了 3.6.核聚变反应堆的燃料是无限的 3.6.1.铀的供应有限，需要经过开采、研磨和浓缩的整个燃料循环才能生产出可用的铀燃料 3.6.2.氢从普通海水中就可以提取出来 3.7.核聚变在释放原子能量方面的效率更高 3.7.1.1克重氢可以产生90000千瓦的电能，相当于11吨煤 3.8.核聚变和核裂变发电站都不会产生二氧化碳，因此不会加剧全球变暖 4.建立核聚变反应堆 4.1.需要一个加热到数百万度的氢源，实际上比太阳还要热，然后将其转化为等离子体，等离子态也是物质的第四种状态（继固态、液态和气态之后） 4.1.1.等离子体是一种非常热的气体，所以一些电子会被剥离 4.1.2.它是宇宙中最常见的物质形态，常见于恒星、星际气体或者闪电 4.2.当等离子体被加热时，你需要找到一种控制等离子体的方法 4.2.1.在恒星中，重力足够压缩气体 4.2.2.在地球上，重力太弱，无法做到这一点，所以我们通常会使用电场和磁场 4.3.核聚变反应堆最受欢迎的设计被称为托卡马克(tokamak)，是一种俄罗斯设计 4.3.1.托卡马克装置的关键是加热气体，以使聚变释放大量能量 4.3.2.量子计算机可能被用来改变甚至改进磁场的精确配置，从而提高其功率和效率，并大大降低成本 4.4.量子计算机可能被用来改变甚至改进磁场的精确配置，从而提高其功率和效率，并大大降低成本 4.4.1.氢的两种同位素氘和氚融合在一起，产生能量、氦和一个中子 4.4.2.这个中子又会将核聚变能量带到反应堆外，撞击托卡马克周围的一层材料“毯子” 4.4.3.这层材料“毯子”通常由铍、铜和钢制成，加热后，“毯子”内管道中的水开始沸腾 5.什么导致聚变能迟迟不能出现呢？ 5.1.从第一批核聚变装置建造出来，至今已经有70年了 5.1.1.问题不在于物理学，而在于工程学 5.2.氢气必须被加热到数百万度，比太阳还要热，才能使氢原子核结合形成氦并释放能量 5.2.1.把气体加热到这么高的温度是很困难的 5.2.2.这种气体通常是不稳定的，核聚变反应也就会停止 5.2.3.物理学家花了几十年的时间，试图将氢气加热到恒星温度 5.3.重力是单极的，也就是说，是从一个极点（而不是两个极点）开始的，所以最初的气体球是在自身的重力下自行坍缩的 5.3.1.恒星是相对容易形成的，这也是我们用望远镜能看到数十亿颗恒星的原因 5.4.电和磁则不同 5.4.1.它们都是双极的 5.4.2.要使气球里面的空气在受到挤压的时候完全均匀地压缩，其实是非常困难的 6.核聚变的问题 6.1.一个基本问题是托卡马克设计的环形（甜甜圈形）构造 6.1.1.解决了一个问题（在高温下容纳等离子体的能力），但也导致了另一个问题（不稳定性） 6.2.由于磁场的环形性质，很难将稳定的聚变过程维持足够长的时间，以满足劳森判据，即需要一定的温度、密度和持续时间才能产生聚变反应 6.3.等离子体本身也有自己的磁场，它可以与反应堆的较大磁场相互作用，从而变得不稳定 7.国际热核聚变实验堆计划 7.1.在21世纪中叶之前实现商业化核聚变发电 7.2.ITER（国际热核聚变实验堆）就是这种国际合作的一个例子 7.2.1.TER是一台巨大的机器，重达5000多吨，是有史以来最精密的科学仪器之一，与国际空间站和大型强子对撞机齐名 7.2.2.与以前的聚变反应堆容器相比，ITER的体积是原来的2倍，重量是原来的16倍 7.2.3.它的环形结构是巨大的，直径达64英尺，高度为37英尺 7.2.4.为了限制等离子体，它的磁铁产生的磁场是地球磁场的28万倍 7.2.5.ITER是世界上最雄心勃勃的核聚变项目 7.3.Q是反应堆产生的能量除以消耗的能量 7.3.1.当Q=1时，我们达到盈亏平衡，所以它产生的能量和消耗的能量一样多 7.3.2.目前，世界核聚变装置的记录徘徊在Q=0.7左右 7.3.3.预计到2025年，ITER将达到盈亏平衡 7.3.3.1.它的设计目标是最终达到Q=10，产生的能量比消耗的能量多得多 7.4.ITER的关键是巨大的磁场，超导性使其成为可能 7.4.1.超导性是所有电阻在超低温下消失之后达到的一种状态，从而能够产生最强大的磁场 7.4.2.将温度降到接近绝对零度可以降低电阻，从而消除废热，并提高磁场效率 7.4.3.超导性于1911年首次被发现，当时汞被冷却到4.2开氏度（-268.95摄氏度），接近绝对零度 7.4.4.原子的随机运动在绝对零度时会几乎停止，因此电子最终可以自由移动而没有阻力 7.4.5.有几种物质在更高的温度下也会变成超导体 7.5.2022年，ITER的设计得到了巨大的推动 7.5.1.两个较小版本（一个位于英国牛津郊外，另一个位于【东大】）能够创造新纪录 7.6.牛津聚变反应堆被称为JET（欧洲联合环形反应堆），能够在整整5秒内达到Q=0.33，打破了24年前该反应堆创造的纪录 7.6.1.大约相当于11兆瓦的电力，也就是加热60壶水的电力 7.6.2.在机器内部制造一颗迷你恒星，并将其保持5秒钟，从而获得高性能，这真的将我们带入了一个新的领域 7.7.【东大】的核聚变反应堆被称为EAST（先进全超导托卡马克装置），与英国的聚变反应堆一样，同样基于原始的托卡马克设计 7.7.1.表明ITER的设计可能恰恰走在了最正确的轨道上 7.7.2.能够通过将等离子体加热到1.58亿摄氏度来维持整整17分钟的核聚变 7.8.1957年，约翰·巴丁、莱昂·库珀和约翰·施里弗最终创立了超导量子理论 7.8.1.在某些条件下，电子可以形成所谓的“库珀对”，然后在没有任何电阻的情况下在超导体表面滑行 7.8.2.该理论预测超导体的最高温度为40开氏度（-233.15摄氏度） 7.9.所有托卡马克聚变设计都使用超导体，超导体是通过将线圈冷却到接近绝对零度时产生的，此时电阻几乎为零 7.9.1.在1986年，一种新的超导体通过试错被发现 7.9.1.1.这种物质可以在77开氏度（-196.15摄氏度）的温和温度下达到超导相 7.9.1.2.新型超导体被称为高温超导体，是基于冷却像钇钡铜氧化物这样的陶瓷 7.9.1.3.由于聚变反应堆最复杂的部件就是磁铁，而这一发展直接改变了核聚变的经济性特征，从而根本上改变了这项技术的商业化前景 7.10.陶瓷可以通过使用普通的液氮变成超导体 7.10.1.液氮的价格与牛奶差不多，因此可以大大降低超级磁体的成本 7.10.2.干冰或凝固二氧化碳每磅售价1美元 7.10.3.液氮每磅售价约为4美元 7.10.4.大多数超导体用作冷却剂的液氦每磅售价却要100美元 7.11.SPARC反应堆 7.11.1.该反应堆于2018年宣布，并迅速吸引了比尔·盖茨和理查德·布兰森等著名亿万富翁的关注（和投资），使SPARC能够在短时间内筹集到超过2.5亿美元 7.11.2.2021年，SPARC成功测试了其高温超导磁体，跨过了巨大的里程碑，该磁体可以产生40000倍于地球磁场的磁场 7.11.3.SPARC可能在2025年达到Q=1的盈亏平衡点，大约与ITER相同，但成本和时间只是其一小部分 7.11.4.SPARC本身不会产生商业电能 7.11.4.1.它的后继者ARC反应堆可能会成功 7.11.5.迫使下一代聚变反应堆采用最新的技术，比如高温超导体的进步，也许还包括量子计算机的进步，因为这两者都是增强磁场关键稳定性以容纳等离子体所必需的 7.12.室温超导体 7.12.1.室温超导体的研制会被誉为低温物理学的圣杯，这是几十年辛勤工作的最终产物 7.12.2.物理学家最终创造了一种室温超导体，但前提是将其压缩到260万倍大气压 7.12.3.看看是否可以降低压力，使室温超导体成为一种真正有效的替代品 8.激光核聚变 8.1.使用巨大的激光束而不是强大的磁铁来加热氢气 8.1.1.导致颗粒表面蒸发和坍缩，从而将其温度提高到数千万度 8.1.2.加热和压缩到这种程度时，就会发生核聚变，并发射出能说明问题的中子 8.2.通过激光核聚变产生商业能源 8.3.2021年，NIF（美国国家点火装置）达到了一个里程碑 8.3.1.它能够在1亿开氏度（等于99999726.85摄氏度）的温度下，在100万亿分之一秒内产生10万亿瓦的功率，打破了之前的纪录 8.3.2.它将燃料芯块压缩到3500亿倍大气压 8.4.最终在2022年12月，NIF以其历史上第一次达到Q ＞ 1的惊人宣布登上了世界各地的头条新闻，也就是说，它产生的能量比消耗的能量更多 9.量子核聚变 9.1.如果一个聚变反应堆设计错误，从头开始重新设计这个反应堆就太麻烦了 9.1.1.如果所有的方程都在量子计算机中，那么使用量子计算机来计算设计是否最优，或者是否有更稳定或更有效的设计，就变得很简单了 9.1.2.改变量子计算机程序中的参数，要比重新设计一个全新的价值数十亿美元的聚变反应堆磁体便宜得多 9.2.由于一个反应堆的成本可能在100亿至200亿美元之间，这可能会节省天文数字的成本 9.2.1.新的设计可以通过虚拟方式创建和测试，因为量子计算机可以计算其特性 9.2.2.量子计算机可以很容易地调试一系列新的虚拟设计，看看它们是否能提高反应堆的性能 9.3.如果与人工智能相结合，量子计算机的力量还可以被进一步放大 9.3.1.人工智能系统可以改变聚变反应堆的各种磁铁的强度 9.3.2.量子计算机可以分析这个过程中的大量数据，以增加Q因子 9.3.3.人工智能程序DeepMind已经被用于改造瑞士洛桑联邦理工学院运营的热核聚变反应堆 9.3.4.释放人工智能的潜力巨大，可以更好地控制并找出如何以更有效的方式操作此类设备 9.4.量子计算机的另一个应用是破译高温陶瓷超导体的工作原理 9.4.1.目前没有人知道它们是如何拥有这种神奇特性的 9.4.2.这些高温陶瓷已经存在了40多年，但还没有达成共识 9.4.3.理论模型已经被提出，但它们只是“理论模型” 9.4.4.量子计算机本身就是量子力学的，它可能能够计算陶瓷超导体内部二维层中电子的分布，从而确定哪种理论是正确的 9.5.超导体的创造仍然是通过试错来完成的 9.5.1.在偶然的情况下，可能会发现新的超导体 9.5.2.意味着每次测试一种新材料时，都必须创建全新的实验 9.5.3.目前还没有系统的方法可以找到新的超导体 9.5.4.量子计算机将能够创建一个虚拟实验室，在其中测试超导体的新方案 9.5.4.1.人们也许能够在一下午的时间里快速测试出许多有趣的物质，而不是花费数年和数百万美元来检测每一种物质 9.6.量子计算机可能是获得无污染、廉价、可靠的未来能源的关键 9.7.如果我们真的能在量子计算机中实现求解核聚变方程，也许我们就能求解恒星核心的核聚变方程了，这就意味着我们可以解开散布在夜空中的那些内核熔炉的秘密，了解这些恒星是如何在超新星中爆炸的，也知道它们最终是如何成为宇宙中最神秘的物体——黑洞的