在物理學最新的學量學進展中，物理學家們實現了從真空中提取能量的力學實驗。這是憑空一個似乎與物理規律和常識相悖的壯舉。
理論物理學家威廉?恩魯（William Unruh）眼中物理學的學量學傳統認知是這樣的：“你不能直接從真空中提取能量，因為那里沒有什么可以提供。力學”
但是憑空 15 年前，日本東北大學的學量學理論物理學家堀田昌寬（Masahiro Hotta）提出，也許事實上真空可以提取出能量。力學
起初，憑空許多研究人員忽視了這項工作，學量學他們認為從真空中提取能量是力學不可能的。然而，憑空那些仔細審閱過這一想法的學量學人意識到，堀田昌寬提出的力學是一個與之前認知有著細微不同的量子力學方法。這些能量不是憑空憑空得到的；它必須通過從遙遠的空間耗散能量的方式來實現。從這個角度來看，堀田昌寬的想法看起來不像是憑空創造能量，更像是能量從一個地方到另一個地方的轉移，一個奇怪但不那么難以接受的想法。
“這個想法出乎我們的意料，”恩魯說。他曾與堀田昌寬合作，但沒有參與過能量傳送的研究。“他發現的一個非常巧妙的結果。”
在過去的一年里，研究人員已經用兩種方式實現了跨越微觀距離傳送能量，這證明了堀田昌寬的理論。這些研究證明了能量傳送是一種新發現的量子現象。
沒有參與這項研究的量子物理學家塞斯?勞埃德（ Seth Lloyd）說：“這個實驗驗證了堀田昌寬的理論”，他說：“這項技術的確實現了能量傳輸，并且實現了能量的提取。”
量子信用
第一個對量子能量隱形傳態展開研究的是堀田昌寬本人。在 2008 年，堀田昌寬在尋找一種方法來測量量子糾纏的強度，這是一種奇特的量子力學聯系。在量子糾纏中，兩個或更多的物理對象處于一個統一的量子態，它們即使相隔遙遠的距離，也能產生量子關聯現象。量子糾纏的一個決定性特征是，它必須被一次性直接建立。你不能通過對兩個物體進行分別的獨立的操作實現量子糾纏，即使你給另一個地方的朋友打電話，并且同時告訴他們你的操作方式也不行。
在研究黑洞時，堀田昌寬開始思考，量子理論中的一種奇特現象 —— 負能量—— 可能是測量量子糾纏的關鍵。黑洞通過發射與其內部產生量子糾纏的輻射而探索，這一過程也可以被認為是黑洞吞噬了大量的負能量。堀田昌寬指出，負能量和量子糾纏似乎是密切相關的。為了驗證他的觀點，他著手證明負能量 —— 例如量子糾纏 —— 不可能在不同的空間通過獨立的操作產生。
令堀田昌寬驚訝的是，他發現，實際上一連串簡單的事件可以誘導量子真空變成負能量，并放出量子真空中似乎并不擁有的能量。他說：“一開始我認為我搞錯了”，“所以我再次計算，并檢查我的邏輯。但我找不到任何錯誤。”
問題出自量子真空的獨特性質，它是一種奇特的真空，但又時刻極限地接近于存在物質。不確定性原理禁止任何量子系統進入一個能量完全為零的狀態。因此，即使是真空也必須始終存在量子場的波動。這些永無止境的波動使每個場都具備一個最低的能量，稱為零點能。物理學家說，一個具有這種最低能量的系統處于基態。處于基態的系統有點像停在高原城市街道上的一輛汽車。盡管它遠遠高于海平面，但它的能量也不能再低了。
然而，堀田昌寬似乎已經找到了一個能量的“地下車庫”。他意識到，要打開這扇門，他只需利用量子場的波動中的內在糾纏。
不間斷的真空能量波動不能用來為永動機提供動力，因為在某一特定地點的能量波動是完全隨機的。想象一下，如果你把一個奇特的量子電池連接到真空中，一半的波動會給設備充電，而另一半波動則會耗電。
但是量子場是糾纏的，一個地方的波動往往與另一個地方的波動相匹配。2008 年，堀田昌寬發表了一篇論文概述了兩位“物理學家”，愛麗絲和鮑勃，如何利用量子糾纏從“鮑勃”周圍的基態中提取能量。這個計劃是這樣的：
鮑勃發現自己需要能量，他想給那個特殊的量子電池充電，但他處于真空中。幸運的是，他的朋友愛麗絲在一個遙遠的地方有一個設備齊全的物理實驗室。愛麗絲在她的實驗室里測量場，給場提供能量并了解它的波動情況。這個實驗使整個場脫離了基態，但鮑勃觀察到，他的真空仍然處于最低能量狀態，場仍隨機波動。
但是，愛麗絲給鮑勃發消息，告知了她周圍的真空的變化，主要是告訴鮑勃什么時候插上他的電池。在鮑勃閱讀了她的信息之后，他可以利用這一信息來準備一個實驗，從真空中提取能量，即愛麗絲從另一個空間注入的能量。
理論物理學家愛德華多?馬丁?馬丁內斯（Eduardo Martín?Martínez）說：“如果你愿意，這些信息可以讓鮑勃準確描述波動。”(他補充說，由于量子場的抽象性質，“描述”這一概念更多的是比喻性的，而不是字面意思）。
由于能量是守恒的，鮑勃不能提取比愛麗絲所提供的更多的能量。而且在愛麗絲的文本到達之前，他缺乏提取能量的必要信息，所以沒有任何超光速的效應。該協議并不違反任何物理原則。
盡管如此，堀田昌寬發表的文章還是引起了爭議。很多人認為在科幻小說中才會有利用真空零點能的機器，而他的理論使一些厭倦了為這種機器提出瘋狂建議的物理學家感到憤怒。但堀田昌寬確信這種設計是會有收獲的，他繼續發展他的理論，并在演講中宣傳它。堀田昌寬受到了恩魯的鼓勵，恩魯因發現了另一種奇特的真空行為而名聲大噪。
“這種東西對我來說幾乎是第二天性，” 恩魯說，“你可以用量子力學做奇怪的事情。”
堀田昌寬也在尋找一種方法來測試他的理論。他與日本東北大學專門研究凝聚態物理的實驗專家游佐剛（Go Yusa）聯系上了。他們提出在一個具有類似于電磁場糾纏基態的半導體系統中進行實驗。
但是他們的研究卻被一再延遲。在他們的初始實驗獲得資助后不久，2011 年 3 月的地震和海嘯摧毀了日本的東海岸，包括東北大學。近年來，多次的地震曾有兩次損壞了他們精密的實驗室設備。如今他們又一次從頭開始了。
實現跳躍
隨著時間的推移，堀田昌寬的想法也在地球上一個不那么容易發生地震的地方扎根了。在恩魯的建議下，2013 年堀田昌寬在加拿大班夫發表了演講。這次演講激發了馬丁內斯的想象力。馬丁內斯說：“堀田昌寬與其他人的思維方式不同”，“他是一個有豐富想法的人，非常有創造力。”
馬丁內斯半開玩笑地稱自己為 “時空工程師”，長期以來他被科幻小說中的前沿物理學所吸引。他夢想著找到用合理的物理方法來創造蟲洞、曲速驅動器和時間機器。每一個奇特的現象都對應著廣義相對論的方程式所允許的奇異的時空形狀。但它們也被所謂的能量條件所禁止，著名物理學家羅杰?彭羅斯（Roger Penrose）和斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）在廣義相對論上提出了一些物理限制，使得該理論無法展現其野蠻的一面。
霍金-彭羅斯的理論中最主要的限制是禁止負能量密度。但在聽了堀田昌寬的演講后，馬丁內斯意識到，低于基態的能量密度有點像是讓能量變為負能量。這個概念對一個《星際迷航》的粉絲來說是一種很大的吸引，于是他投入到堀田昌寬的工作中。
他很快意識到能量傳送可以幫助量子信息領域的研究者解決所面臨的問題，比如滑鐵盧大學的物理學家雷蒙德?拉弗蘭姆（ Raymond Laflamme），以及他當時的學生納耶里?羅德里格斯?布里奧斯（Nayeli Rodríguez Briones）。他們兩個人有個更實際的目標：把量子比特，即量子計算機的基本單元，變得盡可能的冷。冷量子比特是可靠的量子比特，但這個小組遇到了一個理論極限，超過這個極限似乎就不可能提取更多的熱量，就像鮑勃面對一個似乎不可能提取能量的真空。
在第一次向拉弗蘭姆的團隊介紹時，馬丁內斯面臨很多的質疑。但隨著馬丁內斯打消了他們的疑慮，拉弗蘭姆的團隊更容易接受這一理論了。他們開始研究量子能量隱形傳態，并在 2017 年提出了一種將能量從量子比特中轉移出來的方法，這使它們比任何其他已知的方法做到的更冷。即便如此，“這都是理論”，馬丁內斯說，“沒有任何實驗”。
馬丁內斯和布里奧內斯與拉弗拉姆一起，和一位實驗者海曼特?卡蒂亞爾（ Hemant Katiyar）共同著手改變這種情況。
他們利用了核磁共振技術，這種技術使用強大的磁場和無線電脈沖來操縱大分子中原子的量子狀態。該小組花了幾年時間計劃這個實驗，然后卡蒂亞爾設計了一個兩個的碳原子之間傳送能量的實驗，兩個的碳原子分別扮演愛麗絲和鮑勃的角色。
首先，一系列經過微調的無線電脈沖使碳原子系統處于一個特殊的最低能量基態，其特點是兩個原子之間存在量子糾纏。該系統的零點能量由兩個碳原子 —— 我們就用上文中提到的“愛麗絲”和“鮑勃”代稱 —— 的初態和它們之間的量子糾纏所決定的。
接下來，他們向“愛麗絲”和第三個原子發射了一個無線電脈沖，同時對愛麗絲的位置進行測量，并將信息傳輸到一個原子的“文本信息”中。
最后，對準“鮑勃”和中間原子的另一個脈沖同時將信息傳輸給鮑勃，并在那里進行測量，完成了能量傳輸。
他們多次重復這一過程，在每個步驟中進行多次測量，使他們能夠在整個過程中重建三個原子的量子特性。最后，他們計算出鮑勃碳原子的平均能量減少了，因此，能量是被提取并釋放到環境中。盡管鮑勃原子一開始總是處于基態，但還是發生了這樣的狀況。從開始到結束，該協議花了不超過 37 毫秒的時間。但是，要想讓能量從分子的一邊傳到另一邊，通常需要 20 多倍的時間，接近一整秒。愛麗絲所損失的能量使鮑勃能夠獲得其他方式無法獲得的能量。
布里奧內斯說：“我們很高興能夠看到用目前的技術實現能量的轉移”。
他們在論文中描述了量子能量隱形傳態的首次演示，該研究后來在在物理學頂級期刊上發表。
第二個實驗在 10 個月后進行。
2022 年圣誕節前幾天，石溪大學的量子計算研究員池田一樹（Kazuki Ikeda）正在觀看一個提到無線能量傳輸的視頻。他想知道是否可以用量子力學來做類似的事情。然后他想起了堀田昌寬的工作，堀田昌寬是他在東北大學讀本科時的教授，他意識到可以在量子計算平臺上運行一個量子能量隱形傳態協議。
在接下來的幾天里，他編寫并遠程執行了這樣一個程序。實驗驗證了鮑勃的量子比特下降到其基態能量以下。到今年 1 月 7 日，他在一篇論文中公布了他的結果。
在堀田昌寬首次提出能量傳送的概念近 15 年后，兩個相隔不到一年的簡單實驗就證明了這個理論是可能的。
“這些實驗做得很好，”勞埃德說。“我有點驚訝，沒有人更早地做到這一點。”
科幻之夢
然而，堀田昌寬還沒有完全滿意。
他稱贊這些實驗是重要的第一步。但他認為這些實驗是量子模擬，也就是說，糾纏行為是通過無線電脈沖或在量子計算平臺中的操作被編入基態的。他希望是要從一個系統中獲取零點能量，這個系統的基態自然具有糾纏的特征，就像滲透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他們的實驗。在未來的幾年里，他們希望能在一個具有本質的糾纏基態且以邊緣電流為特征的硅表面展示量子能量遠程傳輸，其行為更接近于電磁場的系統。
同時，針對于能量傳送可能有什么好處，每個物理學家都有自己的觀點。布里奧內斯認為，除了幫助穩定量子計算機之外，它還將繼續在研究量子系統的熱、能量和糾纏方面發揮重要作用。1 月下旬，池田發表了另一篇論文，詳細介紹了如何在新生的量子互聯網中建立能量遠程傳輸。
馬丁內斯繼續追尋他的科幻夢想。他與廣義相對論模擬專家埃里克?施奈特（Erik Schnetter）合作，精確計算時空對特定的負能量排列會有什么反應。
一些研究人員認為他的探索很有趣。“這是一個值得稱贊的目標”，勞埃德笑著說，“從某種意義上說，不跟進這個問題是不負責任的科學行為，負能量密度有非常重要的意義”。
其他人提醒說，從負能量到奇異形狀時空的道路是曲折和不確定的。“我們對量子關聯的理論仍在發展中，”恩魯說。“一旦能夠進行計算，人們會不斷對實際情況感到驚訝。”
就堀田昌寬而言，他并沒有花太多時間考慮塑造時空的問題。現在讓他感到高興的是，他從 2008 年開始的量子關聯的計算已經觀測到了一個真正的物理現象。
“這是真正的物理學，” 堀田昌寬說，“不是科幻小說。”
作者：Charlie Wood
翻譯：掃地僧
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原文鏈接：the quest to use quantum mechanics to pull energy out of nothing
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Charlie Wood
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