量⼦隐形传输能量:从真空提取能量已成现实?

作者: 尹璋琦

来源: 返朴

发布日期: 2023-03-02 08:00:57

量⼦隐形传输能量是⽇本东北⼤学堀⽥正博教授2008年提出的理论,通过量⼦纠缠和测量,可以从真空中提取能量。经过多年的研究和发展,该理论在2023年得到了实验验证。

量⼦隐形传输能量是⽇本东北⼤学堀⽥正博教授2008年提出的⼀个富有想象⼒与争议的理论。在现代物理中,真空并不是空⽆⼀物的,其中充满了涨落的能量,但我们⽆法把真空中涨落的能量取出来利⽤。如果真空中不同区域之间有量⼦纠缠存在,基于量⼦隐形传态的思想,消耗能量E_A对⼦系统A进⾏测量,获得对A处真空涨落的信息,然后把此信息通过经典通信传到B处,我们就可以从⼦系统B中获得可⽤能量E_B了。

下⾯详细解释⼀下这个过程。初始时,从局域上看,⼦系统A与B都处于能量最低的“真空”,我们将其定为能量零点,⽆法对外输出有⽤的净能量。另⼀⽅⾯,从整体上看A与B之间存在量⼦纠缠。⾸先对A实施测量,我们需要对它输⼊能量E_A。测量结果出来后,假设A的态处于α,由于A与B之间的量⼦纠缠,B将处于某个依赖于α的局域态。

通过经典通信把测量结果α告知B之后,就可以再⽤局域操作U(α)让B系统变换到能量为-E_B的状态,与此同时B系统释放出能量,也就是我们从B中取出了净能量E_B。这整个过程看起来就像是对我们对⼦系统A注⼊能量E_A,经过量⼦隐形能量传输,在远⽅的B系统中取出了的能量,通常E_B⼩于E_A。

量⼦隐形传输能量显得很离经叛道,因为要开发利⽤真空零点能,反倒是科幻⼩说中类似的概念汗⽜充栋,因此论⽂发表在《物理评论D》后并没有太多关注。但堀⽥正博坚持发展这个想法,2011年他与同事合作提出可以利⽤量⼦霍尔效应实现量⼦隐形传输能量,并幸运地申请到了经费资助。可不幸的是,他们遇到了2011年东⽇本⼤地震和随之⽽来的海啸,他们的实验设施毁于⼀旦。

2013年,堀⽥正博应邀去加拿⼤报告,把这个想法告诉了加拿⼤滑铁卢⼤学IQC研究所的Martín-Martínez等⼈,引起了他们的兴趣。他们很快就发现量⼦隐形传输能量的想法可以帮助改进量⼦计算技术。研发量⼦计算机时,关键技术之⼀在于量⼦⽐特的初始化,但它⼜会⾯临真空涨落的限制。利⽤量⼦隐形传输能量的思想,2017年他们提出⼀种初始化量⼦⽐特的理论⽅案。

⼜经过多年的实验技术提升,最近他们终于在核磁共振系统中实验验证了量⼦隐形传输能量。

在实验中,他们先将两个原⼦制备到某种能量最低的基态:强局域被动态,对其中任何⼀个原⼦进⾏任意局域操作都⽆法取出能量,且原⼦间有量⼦纠缠。然后他们对原⼦A与辅助原⼦C施加脉冲,打开它们之间的耦合,使辅助原⼦C获得原⼦A的部分信息,并确保此操作不会改变原⼦B的能量。

然后把原⼦C与原⼦B之间的耦合打开,这等价于把原⼦A的信息传递给B。在这⼀系列操作之后,我们就可以⽤局域操作从原⼦B中获得能量了。上述实验步骤只需37毫秒就可以完成,⽽能量从A传输到B原⼦所需要的时间需要⼀秒钟,远⻓于实验时间。此论⽂已被《物理评论快报》接收。在此实验贴到预印本⽹站后过了8个⽉,另外⼀位学者基于IBM量⼦云平台,也独⽴实现了量⼦隐形传输能量的验证。

虽然经过15年量⼦隐形传输能量才获得验证,但⽬前的实验并不让⼈太满意,从理论⻆度,它只是某种量⼦模拟。堀⽥正博教授正在与⼈合作,进⼀步发展基于凝聚态系统的实验⽅案,基于硅基系统中的边缘电流(其中天然具有量⼦纠缠)来实现量⼦隐形传输能量。量⼦隐形传输能量理论在⿊洞物理学、弯曲时空量⼦场论等领域也有潜在应⽤价值。

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