科普 | 量子纠缠，如何凭空创造能量？

光子盒研究院光子盒 2023-03-04

光子盒研究院出品

如魔术一般，物理学家已经完成了从近真空中变出能量的量子实验，这一壮举似乎违背了物理定律和常识——能量不能凭空出现。而利用真空能量的机器正是科幻小说的中流砥柱。

“你不能直接从真空中提取能量，因为那里没有任何东西可以提供，”哥伦比亚大学的理论物理学家William Unruh在描述标准思维方式时说。

但15年前，日本东北大学的理论物理学家Masahiro Hotta提出，也许真空可以被诱导放弃一些东西。

2008年Masahiro Hotta 提出了量子能量隐形传态协议：在真空状态下也可以通过诱导来实现提取能量。

麻烦源于量子真空的奇异性质，它是一种奇特的虚无，危险地接近于某种东西。

不确定性原理禁止任何量子系统进入完全零能量的绝对静止状态，即使是安静的真空也总是随着充满它的量子场的波动而噼啪作响。这些永无止境的波动使每个场都充满了一些最低限度的能量，称为零点能量。物理学家称具有这种最小能量的系统处于基态。

在研究黑洞时，Hotta开始怀疑量子理论中的奇异事件——负能量——的关键可能是量子纠缠。黑洞通过发射与其内部纠缠在一起的辐射而收缩，这一过程也可以被视为黑洞吞噬负能量团。Hotta指出负能量和纠缠似乎密切相关。

Hotta惊讶地发现，事实上，一个简单的实验可以导致量子真空能量变为负值——放弃它似乎没有的能量。“一开始我以为我错了，”他说，“所以我又计算了一次，我检查了我的逻辑，但我找不到任何破绽。”

持续不断的真空涨落不能用来为永动机提供动力，因为给定位置的涨落是完全随机的。如果你想象将一个奇特的量子电池连接到真空中，一半的波动会为设备充电，而另一半会耗尽它。

但是量子场是纠缠的——一个点的波动往往与另一个点的波动相匹配。

2008年，Hotta发表了一篇论文，概述了如何利用波动的相关性将能量从基态中提取出来。该计划是这样的。

鲍勃发现自己需要能量——他想给奇特的量子电池充电——但他的能量来源只有空旷的真空。幸运的是，他的朋友爱丽丝在很远的地方有一个设备齐全的物理实验室。爱丽丝通过注入能量，在她的实验室测量周围的能量场，并了解它的波动。这个实验使爱丽丝周围的场脱离基态，但鲍勃周围的真空仍处于最低能量状态，基态，并随机波动。

随后爱丽丝(Alice)将她关于她所在位置周围真空的波动信息发送给鲍勃(Bob)，实质上是告诉鲍勃何时在真空中插入电池。在鲍勃阅读她的信息后，他可以使用得到的波动信息从他周围的真空中提取能量——这一能量不超过爱丽丝注入能量的最大值。

起初，许多研究人员忽视了这项工作，认为从真空中提取能量是不可信的。然而，仔细观察的人意识到，Hotta暗示的是一种截然不同的量子技术。能量不是免费的：它必须使用在遥远的地方用能量购买的信息来解锁。从这个角度来看，Hotta 的方法不是创造能量，而是将能量从一个地方传送到另一个地方。

鲍勃不能提取比爱丽丝投入更多的能量，因此能量守恒。并且他在爱丽丝的文本信息到达之前无法提取能量，因此没有任何信息传递超过光速。

新的量子协议有效地从远处借用能量，因此没有违反任何神圣的物理原理。

论文发布后，Hotta一直致力于用实验验证。但2011年的日本地震和之后的地震两次摧毁了他精密的实验装置。

随着时间推移，越来越多的人认同了Hotta的设想。2013年，在哥伦比亚大学Unruh教授的建议下，Hotta 在加拿大举行的会议上发表了演讲，谈话吸引了 Martín-Martínez的注意力。

Martín-Martínez半认真地将自己定位为“时空工程师”，长期以来他一直被科幻小说边缘的物理学所吸引。他梦想找到在物理上可行的方法来制造虫洞、曲速引擎和时间机器。这些奇异现象中的每一个都相当于广义相对论及其方程描述下所允许的奇异时空形状，但同时它们也被所谓的能量条件所禁止。

著名物理学家罗杰·彭罗斯和斯蒂芬·霍金在广义相对论之上施加了一些限制，以阻止该理论展现其狂野的一面。

霍金-彭罗斯戒律中最主要的一条是禁止负能量密度。

但是，在听Hotta的介绍时，Martín-Martínez意识到，浸入基态以下听起来有点像使能量变为负值。他很快沉浸在Hotta的研究中。

Martín-Martínez很快意识到能量隐形传态可以帮助解决他在量子信息领域的一些同事所面临的问题，其中正包括物理学家Raymond Laflamme。Laflamme有一个实际的目标：采用量子位，即量子计算机的构建块，并使它们尽可能冷——冷量子比特是可靠的量子比特。

但Laflamme已经遇到了一个理论极限，超过这个极限似乎就不可能再吸出更多的热量——就像鲍勃面对一个似乎不可能从中提取出能量的真空一样。

在Martín-Martínez的介绍下，他们开始研究量子能量隐形传态，并在2017年提出一种理论方法，可以将能量从量子比特中转移出来，使其超越目前所能达到的最冷状态极限。在这之后，随着实验主义者Hemant Katiyar的加入，他们小组经过几年的计划，终于在去年完成了实验验证。

2022年3月，Laflamme小组发表论文称验证了量子能量隐形传态协议

2022年圣诞节前几天，Stone Brook大学量子计算研究员Kazuki Ikeda正在观看 YouTube 上提到无线能量传输的视频。他想知道是否可以用量子力学来完成类似的事情。然后，他想起了Hotta的工作——在东京大学读本科时Hotta曾是他的教授之一——并意识到他可以在IBM的量子计算平台上运行量子能量隐形传态协议。

在接下来的几天里，他编写并远程执行了这样一个程序。实验证实了鲍勃量子比特可以下降到其基态能量以下。1月7日，他在预印本中发布了他的成果。

IBM的一台量子计算机上运行了隐形传态协议的实验测试

在Hotta首次描述量子能量隐形传送近15年后，相隔不到一年的两次实验证明了这是可能的。

然而，Hotta并不满足。

他称赞这些实验是重要的第一步。但他将它们视为量子模拟，因为纠缠行为被编程为基态——通过无线电脉冲或通过IBM设备中的量子操作。他的目标是从一个系统中获取零点能量，该系统的基态自然具有纠缠的特征，就像弥漫在宇宙中的基本量子场一样。

在接下来的几年里，他们希望在具有本质纠缠基态的边缘电流的硅表面展示量子能量隐形传态——一个行为更接近电磁场的系统。

与此同时，对于能量隐形传态的好处，每位物理学家都有自己的看法。Laflamme团队相信，除了帮助稳定量子计算机外，它还将继续在量子系统中的热、能量和纠缠研究中发挥重要作用。

Martín-Martínez继续追逐他的科幻梦想。他与广义相对论模拟专家 Erik Schnetter合作，准确计算时空对特定负能量排列的反应。

“我们对量子关联的直觉仍在发展中，”Unruh说。“一旦能够进行计算，人们就会不断对实际情况感到惊讶。”

对Hotta而言，他并没有花太多时间思考时空。现在，令他感到高兴的是，他在 2008年提出的设想已经成为了一个相关联的物理课题。

“这是真实的物理学，”他说，“这不是科幻小说。”

他们使用核磁共振技术，该技术用强大的磁场和无线电脉冲来操纵大分子中原子的量子态。

首先，一系列精细调谐的无线电脉冲将两个碳原子（爱丽丝和鲍勃）置于特定的最低能量基态，这两个原子之间存在纠缠。系统的零点能量由二者的初始组合能量和它们之间的纠缠定义。

接下来，他们向爱丽丝和第三个原子发射单个无线电脉冲，同时对爱丽丝的位置进行测量并将信息传给第三个原子。

最后，针对鲍勃和第三个原子的另一个脉冲同时将消息传输给鲍勃并在那里进行测量，从而完成能量释放。

他们多次重复这个过程，在每一步都进行多次测量，使他们能够在整个过程中重建三个原子的量子特性。最后，他们计算出鲍勃碳原子的平均能量下降，这意味着能量被提取并释放到环境中。尽管鲍勃原子总是以基态开始，但还是发生了这种情况。爱丽丝消耗的能量使鲍勃能够释放用其他方式无法释放的能量。

Briones

Laflamme团队成员Briones表示：“这一成果可用于研究量子系统中的热、能量和纠缠。”

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