選自量子雜志
作者：Charlie Wood
機(jī)器之心編譯
編輯：澤南、陳萍
直接提取真空零點(diǎn)能是在造永動(dòng)機(jī)，違背能量守恒定律，現(xiàn)在有人通過從遠(yuǎn)處「借用」的方法實(shí)現(xiàn)了突破。
這是一件人們無法想象的事，物理學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用量子等價(jià)物從接近真空中憑空變出能量，這一壯舉似乎違背了物理定律和常識。
「你不能直接從真空中提取能量，因?yàn)槟抢餂]有任何東西，」不列顛哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)家 William Unruh 在描述標(biāo)準(zhǔn)思維方式時(shí)說。
但 15 年前，日本東北大學(xué)理論物理學(xué)家堀田昌寬（Masahiro Hotta）提出，也許真空實(shí)際上可以被誘導(dǎo)輸出一些東西。
起初，許多研究人員忽視了這項(xiàng)工作，懷疑從真空中提取能量的思想是完全不可信的。然而，仔細(xì)觀察的人們意識到，堀田暗示的是一種截然不同的量子特技。能量不是免費(fèi)的，它必須使用在遙遠(yuǎn)的地方用能量購買的知識來解鎖。從這個(gè)角度來看，堀田昌寬的理論看起來不像是創(chuàng)造，而更像是將能量從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方 一個(gè)奇怪但不那么令人反感的想法。
「這真是一個(gè)驚喜，」Unruh 表示，他曾與堀田昌寬合作但沒有參與能量傳送研究�！高@是一個(gè)美妙的結(jié)果�！�
在過去的一年里，研究人員已經(jīng)在兩個(gè)獨(dú)立的量子設(shè)備中跨越微觀距離傳送能量，證明了堀田昌寬的理論。這項(xiàng)研究幾乎沒有讓人懷疑能量隱形傳態(tài)是一種真正的量子現(xiàn)象。
「實(shí)驗(yàn)證明了理論，」麻省理工學(xué)院（MIT）的量子物理學(xué)家 Seth Lloyd 表示�！改銓�(shí)際上是在傳送，你在抽取能量�！�
量子貨幣
第一個(gè)對量子能量隱形傳態(tài)持懷疑態(tài)度的人是堀田昌寬本人。
2008 年，他開始尋找方法來測量一種稱為「量子糾纏」的特殊量子力學(xué)聯(lián)系的強(qiáng)度，其中兩個(gè)或多個(gè)物體共享一個(gè)統(tǒng)一的量子態(tài)，即使相距很遠(yuǎn)，它們也會以相關(guān)的方式表現(xiàn)。糾纏的一個(gè)決定性特征是你必須一舉創(chuàng)造它。你不能通過獨(dú)立地?cái)[弄一個(gè)對象和另一個(gè)對象來設(shè)計(jì)相關(guān)行為，即使你打電話給另一個(gè)地方的朋友并告訴他們你做了什么也不行。
堀田昌寬于 2008 年提出了量子能量隱形傳態(tài)協(xié)議。
在研究黑洞時(shí)，堀田開始懷疑量子理論中的奇異事件「負(fù)能量」，可能是測量糾纏的關(guān)鍵。黑洞通過發(fā)射與其內(nèi)部糾纏在一起的輻射而收縮，這一過程也可以被視為黑洞吞噬負(fù)能量團(tuán)。堀田指出負(fù)能量和糾纏似乎密切相關(guān)。為了加強(qiáng)他的論點(diǎn)，他著手證明負(fù)能量 比如糾纏 不能通過在不同地點(diǎn)的獨(dú)立行動(dòng)產(chǎn)生。
堀田昌寬驚訝地發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，一個(gè)簡單的事件序列可以導(dǎo)致量子真空變?yōu)樨?fù)值 放棄它似乎沒有的能量�！敢婚_始我以為我搞錯(cuò)了，」堀田昌寬說道，「所以我又計(jì)算了一下，我檢查了我的邏輯。然而我找不到任何破綻�！�
問題出在量子真空的奇異性質(zhì)上，這是一種奇特的虛無，但又無時(shí)不接近于存在物質(zhì)。不確定性原理禁止任何量子系統(tǒng)進(jìn)入完全零能量的完全安靜狀態(tài)。結(jié)果是，即使完全的真空也必須總是隨著充滿它的量子場的波動(dòng)而噼啪作響。這些永無止境的波動(dòng)使每個(gè)場都充滿了一些最低限度的能量，稱為零點(diǎn)能量。物理學(xué)家認(rèn)為，具有這種最小能量的系統(tǒng)處于基態(tài)。
處于基態(tài)的系統(tǒng)有點(diǎn)像停在丹佛（海拔 1.6 公里）街頭的汽車。即使它遠(yuǎn)高于海平面，也不能再低了。
量子力學(xué)中，量子漲落在空間生成由粒子和反粒子組成的虛粒子對。粒子對借取能量而生成，又在短時(shí)間內(nèi)湮滅歸還能量。這些產(chǎn)生的虛粒子的物理效應(yīng)是可以被測量的，例如，電子的有效電荷與裸電荷不同。從量子電動(dòng)力學(xué)的蘭姆位移與卡西米爾效應(yīng)，可以觀測到這種效應(yīng)。
堀田昌寬的理論就像找到了一個(gè)地下車庫。他意識到，要開啟這扇門，只需要利用量子場中的一種內(nèi)在糾纏就可以。對永動(dòng)機(jī)有所了解的人都知道，不間斷的真空波動(dòng)不能用來為其提供動(dòng)力，因?yàn)榻o定位置的波動(dòng)完全是隨機(jī)的。你想象一下將一個(gè)奇特的量子電池連接到真空中，一半的波動(dòng)會為設(shè)備充電，而另一半則會將其耗荊
但是量子場是糾纏的，一個(gè)點(diǎn)的波動(dòng)往往與另一個(gè)點(diǎn)的波動(dòng)相匹配。早在 2008 年，堀田發(fā)表了一篇論文，概述了兩位量子物理中的老熟人 Alice 和 Bob 如何利用量子糾纏從 Bob 周圍的基態(tài)中提取能量。
具體來說，Bob 他想給那個(gè)奇特的量子電池充電，但他只能滿足真空空間。幸運(yùn)的是，他的朋友 Alice 在很遠(yuǎn)的地方有一個(gè)設(shè)備齊全的物理實(shí)驗(yàn)室。Alice 在她的實(shí)驗(yàn)室里測量磁場，并注入能量了解其波動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使整個(gè)場脫離基態(tài)，但據(jù) Bob 所知，他的真空仍處于最低能量狀態(tài)，即隨機(jī)波動(dòng)。
但隨后 Alice 根據(jù)自己周圍的變化信息，主要是通知 Bob 何時(shí)插入電池，在 Bob 閱讀信息后，他可以利用新發(fā)現(xiàn)的知識準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，從真空中提取能量，即 Alice 注入的能量。
滑鐵盧大學(xué)的理論物理學(xué)家 Eduardo Martín-Martínez 表示，如果你愿意的話，這些信息可以讓 Bob 對波動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。他還補(bǔ)充說，由于量子場的抽象性質(zhì)，時(shí)間的概念比字面意思更隱喻。
英屬哥倫比亞大學(xué)的 William Unruh 表示，你可以用量子力學(xué)做一些奇怪的事情。
在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Bob 不能提取比 Alice 輸入更多的能量，因?yàn)槟芰渴鞘睾愕�。�?Alice 的文本到達(dá)之前，Bob 缺乏提取能量的必要知識，所以沒有任何效應(yīng)的傳播速度超過光速。因此協(xié)議沒有違反物理原則。
然而，堀田的出版物遭到了批評，很多人認(rèn)為只有小說中才會有真空零點(diǎn)能量。但堀田確信他發(fā)現(xiàn)了一些東西，繼續(xù)自己的想法。后來他得到了 Unruh 的鼓勵(lì)，Unruh 因發(fā)現(xiàn)另一種奇怪的真空行為而名聲大噪。
堀田還是想方設(shè)法對其發(fā)現(xiàn)進(jìn)行測試，之后他結(jié)識了東北大學(xué)專門研究凝聚態(tài)物質(zhì)的教授游佐剛（Go Yusa）。他們提議在具有類似于電磁場的糾纏基態(tài)的半導(dǎo)體系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
但他們的研究卻一再延誤，在最初的實(shí)驗(yàn)獲得資助后不久，由于自然原因，他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備被震壞兩次，如今，他們又一次基本上從零開始。
一次跳躍
堀田曾在 2013 年做過一次演講，這個(gè)演講激發(fā)了 Martín-Martínez 的無限想象。Martín-Martínez 表示：堀田的思維方式與其他人不同，他是一個(gè)很有創(chuàng)意、想到就要付諸行動(dòng)的人。
IBM 的量子計(jì)算機(jī)。
Martín-Martínez 半認(rèn)真地將自己定位為「時(shí)空工程師」，長期以來他一直被科幻小說邊緣的物理學(xué)所吸引。他的夢想是找到在物理上可行的方法來制造蟲洞、曲速引擎和時(shí)間機(jī)器。這些奇異現(xiàn)象中的每一個(gè)都相當(dāng)于廣義相對論極其適應(yīng)的方程所允許的奇異時(shí)空形狀。但它們也被所謂的能量條件所禁止，著名物理學(xué)家羅杰·彭羅斯和斯蒂芬·霍金在廣義相對論之上施加了一些限制，以阻止該理論展現(xiàn)其狂野的一面。
彭羅斯 - 霍金理論體系中最主要的一條是禁止負(fù)能量密度。但是，在聽堀田昌寬的介紹時(shí)，Martín-Martínez 意識到，低于基態(tài)聽起來有點(diǎn)像讓能量變成負(fù)能量。這個(gè)概念對星際迷航的粉絲來說很有趣，他一頭扎進(jìn)了堀田的論文中。
他很快意識到能量隱形傳態(tài)可以幫助解決他在量子信息領(lǐng)域的一些研究者所面臨的問題，其中包括滑鐵盧的物理學(xué)家 Raymond Laflamme 和 Laflamme 當(dāng)時(shí)的學(xué)生 Nayeli Rodríguez-Briones。兩人有一個(gè)更實(shí)際的目標(biāo)：采用量子 bite，即量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建基礎(chǔ)，并使它們盡可能地冷。冷量子比特是可靠的量子比特，但該小組已經(jīng)遇到了一個(gè)理論極限，超過這個(gè)極限似乎就不可能再吸出更多的熱量 就像 Bob 面對一個(gè)似乎不可能從中提取能量的真空一樣。
去年，滑鐵盧大學(xué)的 Raymond Laflamme 小組驗(yàn)證了量子能量隱形傳態(tài)協(xié)議。
在第一次向 Laflamme 的團(tuán)隊(duì)推介時(shí)，Martín-Martínez 面臨著許多懷疑的問題。但他們很快變得接受，開始研究量子能量隱形傳態(tài)，并在 2017 年提出了一種方法，將能量從量子比特中轉(zhuǎn)移出來，使其比任何其他已知程序能做到得更冷。即便如此，「這都是理論，」Martín-Martínez 說道�！笡]有實(shí)驗(yàn)�！�
Martín-Martínez 和 Rodríguez-Briones 以及 Laflamme 和一位實(shí)驗(yàn)主義者 Hemant Katiyar 開始著手改變這種狀況。
他們求助于一種稱為核磁共振的技術(shù)，該技術(shù)使用強(qiáng)大的磁場和無線電脈沖來操縱大分子中原子的量子態(tài)。該小組花了幾年時(shí)間計(jì)劃實(shí)驗(yàn)，然后在疫情期間的幾個(gè)月里，Katiyar 安排在兩個(gè)碳原子之間傳送能量，扮演 Alice 和 Bob 的角色。
首先，一系列精細(xì)調(diào)諧的無線電脈沖將碳原子置于特定的最低能量基態(tài)，這兩個(gè)原子之間存在糾纏。系統(tǒng)的零點(diǎn)能量由 Alice、Bob 的初始組合能量和它們之間的糾纏定義。
接下來，他們向 Alice 和第三個(gè)原子發(fā)射單個(gè)無線電脈沖，同時(shí)對 Alice 的位置進(jìn)行測量并將信息傳輸?shù)皆印肝谋鞠ⅰ�。最后，針�?Bob 和中間原子的另一個(gè)脈沖同時(shí)將消息傳輸給 Bob 并在那里進(jìn)行測量，從而完成能量「無中生有」。
他們多次重復(fù)這個(gè)過程，在每一步都進(jìn)行多次測量，使他們能夠在整個(gè)過程中重建三個(gè)原子的量子特性。最后，他們計(jì)算出 Bob 碳原子的平均能量下降，可知能量被提取并釋放到環(huán)境中。盡管 Bob 原子總是以基態(tài)開始，但還是發(fā)生了這種情況。從開始到結(jié)束，該協(xié)議只用了不超過 37 毫秒。要不是能量從分子的一側(cè)傳播到另一側(cè)，通常需要 20 多倍的時(shí)間 接近一整秒。Alice 消耗的能量使 Bob 能夠解鎖其他方式無法獲得的能量。
「看到利用目前的技術(shù)可以觀察到能量的激活，這真是太棒了，」現(xiàn)就職于加州大學(xué)伯克利分校的 Rodríguez-Briones 說道。他們在 2022 年 3 月發(fā)布的預(yù)印版論文《Experimental activation of strong local passive states with quantum information》中描述了量子能量隱形傳態(tài)的首次演示，該研究已被物理學(xué)頂刊《Physical Review Letters》（PRL）接收發(fā)表。
Nayeli Rodríguez-Briones 認(rèn)為這些系統(tǒng)可用于研究量子系統(tǒng)中的熱、能量和糾纏。
第二次演示將在十個(gè)月后進(jìn)行。
圣誕節(jié)前幾天，石溪大學(xué)的量子計(jì)算研究員 Kazuki Ikeda 正在觀看一個(gè)提到無線能量傳輸?shù)?YouTube 視頻。他想知道是否可以用量子力學(xué)來完成類似的事情。然后，他想起了堀田昌寬的工作 在東北大學(xué)讀本科時(shí)堀田曾是他的教授之一 并意識到他可以在 IBM 的量子計(jì)算平臺上運(yùn)行量子能量隱形傳態(tài)協(xié)議。
在接下來的幾天里，他編寫并遠(yuǎn)程執(zhí)行了這樣一個(gè)程序。實(shí)驗(yàn)證實(shí) Bob 量子比特下降到其基態(tài)能量以下。到 1 月 7 日，他已經(jīng)在預(yù)印版論文《First Realization of Quantum Energy Teleportation on Superconducting Quantum Hardware》中發(fā)布了他的結(jié)果。
在堀田昌寬首次描述能量傳送近 15 年后，相隔不到一年的兩次簡單演示證明了這是可能的。
「實(shí)驗(yàn)論文做得很好，」Lloyd 表示�！肝矣悬c(diǎn)驚訝于沒有人更早做到這一點(diǎn)。」
科幻的夢想
然而，堀田昌寬還沒有完全滿意。
他稱贊這些實(shí)驗(yàn)是重要的第一步。但他將它們視為量子模擬，因?yàn)槠浼m纏行為被編程為基態(tài) 通過無線電脈沖或通過 IBM 設(shè)備中的量子操作實(shí)現(xiàn)。他希望人們最終能從一個(gè)系統(tǒng)中獲取零點(diǎn)能量，該系統(tǒng)的基態(tài)自然具有糾纏的特征，就像彌漫在宇宙中的基本量子場一樣。
為此，堀田昌寬和游佐剛正在推進(jìn)他們最初的實(shí)驗(yàn)。在接下來的幾年里，他們希望在具有本質(zhì)糾纏基態(tài)的邊緣電流的硅表面展示量子能量隱形傳態(tài) 一個(gè)行為更接近電磁場的系統(tǒng)。
與此同時(shí)，對于能量隱形傳態(tài)的好處，每位物理學(xué)家都有自己的看法。Rodríguez-Briones 懷疑，除了幫助穩(wěn)定量子計(jì)算機(jī)外，它還將繼續(xù)在量子系統(tǒng)中的熱、能量和糾纏研究中發(fā)揮重要作用。1 月下旬，池田發(fā)表了另一篇論文，詳細(xì)介紹了如何將能量傳送到新生的量子互聯(lián)網(wǎng)中。
Martín-Martínez 也在繼續(xù)追逐他的科幻夢想。他與 Perimeter Institute 廣義相對論模擬專家 Erik Schnetter 合作，希望準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)空對特定負(fù)能量排列的反應(yīng)。
一些研究人員發(fā)現(xiàn)他的探索很有趣。「這是一個(gè)值得稱贊的目標(biāo)，」Lloyd 笑著說�！笍哪撤N意義上說，不對此進(jìn)行跟進(jìn)在科學(xué)上是不負(fù)責(zé)任的。負(fù)能量密度具有非常重要的意義。」
其他人警告說，從負(fù)能量到奇異時(shí)空形狀的道路是曲折且不確定的。「我們對量子關(guān)聯(lián)的直覺仍在發(fā)展中，」Unruh 說道�！敢坏┠軌蜻M(jìn)行計(jì)算，人們就會不斷對實(shí)際情況感到驚訝。」
對于堀田昌寬而言，他并沒有花太多時(shí)間思考雕刻時(shí)空�，F(xiàn)在讓他感到高興的是，他從 2008 年開始的量子關(guān)聯(lián)計(jì)算已經(jīng)建立了真正的物理現(xiàn)象。
「這是真實(shí)的物理學(xué)，」堀田昌寬說道，「不是科幻小說�！�
參考內(nèi)容：
https://www.quantamagazine.org/physicists-use-quantum-mechanics-to-pull-energy-out-of-nothing-20230222/
https://arxiv.org/abs/2203.16269
https://arxiv.org/abs/2301.02666
