自从学了量子力学，我竟然学会凭空提取能量 ｜ 中科院物理所

　　■ 作者

　　Charlie Wood

　　■ 翻译

　　扫地僧

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　　原文链接：the quest to use quantum mechanics to pull energy out of nothing

　　物理学最新的进展中，物理学家们实现了从真空中提取能量的实验。这是一个似乎与物理规律和常识相悖的壮举。

　　理论物理学家威廉·恩鲁（William Unruh）眼中物理学的传统认知是这样的：“你不能直接从真空中提取能量，因为那里没有什么可以提供。”

　　但是15年前，日本东北大学的理论物理学家堀田昌宽（Masahiro Hotta）提出，也许事实上真空可以提取出能量。

　　起初，许多研究人员忽视了这项工作，他们认为从真空中提取能量是不可能的。然而，那些仔细审阅过这一想法的人意识到，堀田昌宽提出的是一个与之前认知有着细微不同的量子力学方法。这些能量不是凭空得到的；它必须通过从遥远的空间耗散能量的方式来实现。从这个角度来看，堀田昌宽的想法看起来不像是凭空创造能量，更像是能量从一个地方到另一个地方的转移，一个奇怪但不那么难以接受的想法。

　　“这个想法出乎我们的意料，”恩鲁说。他曾与堀田昌宽合作，但没有参与过能量传送的研究。“他发现的一个非常巧妙的结果。”

　　在过去的一年里，研究人员已经用两种方式实现了跨越微观距离传送能量，这证明了堀田昌宽的理论。这些研究证明了能量传送是一种新发现的量子现象。

　　没有参与这项研究的量子物理学家塞斯·劳埃德（Seth Lloyd）说：“这个实验验证了堀田昌宽的理论”，他说：“这项技术的确实现了能量传输，并且实现了能量的提取。”

　　量子信用

　　第一个对量子能量隐形传态展开研究的是堀田昌宽本人。在2008年，堀田昌宽在寻找一种方法来测量量子纠缠的强度，这是一种奇特的量子力学联系。在量子纠缠中，两个或更多的物理对象处于一个统一的量子态，它们即使相隔遥远的距离，也能产生量子关联现象。量子纠缠的一个决定性特征是，它必须被一次性直接建立。你不能通过对两个物体进行分别的独立的操作实现量子纠缠，即使你给另一个地方的朋友打电话，并且同时告诉他们你的操作方式也不行。

　　在研究黑洞时，堀田昌宽开始思考，量子理论中的一种奇特现象——负能量——可能是测量量子纠缠的关键。黑洞通过发射与其内部产生量子纠缠的辐射而探索，这一过程也可以被认为是黑洞吞噬了大量的负能量。堀田昌宽指出，负能量和量子纠缠似乎是密切相关的。为了验证他的观点，他着手证明负能量——例如量子纠缠——不可能在不同的空间通过独立的操作产生。

　　令堀田昌宽惊讶的是，他发现，实际上一连串简单的事件可以诱导量子真空变成负能量，并放出量子真空中似乎并不拥有的能量。他说：“一开始我认为我搞错了”，“所以我再次计算，并检查我的逻辑。但我找不到任何错误。”

　　问题出自量子真空的独特性质，它是一种奇特的真空，但又时刻极限地接近于存在物质。不确定性原理禁止任何量子系统进入一个能量完全为零的状态。因此，即使是真空也必须始终存在量子场的波动。这些永无止境的波动使每个场都具备一个最低的能量，称为零点能。物理学家说，一个具有这种最低能量的系统处于基态。处于基态的系统有点像停在高原城市街道上的一辆汽车。尽管它远远高于海平面，但它的能量也不能再低了。

　　然而，堀田昌宽似乎已经找到了一个能量的“地下车库”。他意识到，要打开这扇门，他只需利用量子场的波动中的内在纠缠。

　　不间断的真空能量波动不能用来为永动机提供动力，因为在某一特定地点的能量波动是完全随机的。想象一下，如果你把一个奇特的量子电池连接到真空中，一半的波动会给设备充电，而另一半波动则会耗电。

　　但是量子场是纠缠的，一个地方的波动往往与另一个地方的波动相匹配。2008年，堀田昌宽发表了一篇论文概述了两位“物理学家”，爱丽丝和鲍勃，如何利用量子纠缠从“鲍勃”周围的基态中提取能量。这个计划是这样的：

　　鲍勃发现自己需要能量，他想给那个特殊的量子电池充电，但他处于真空中。幸运的是，他的朋友爱丽丝在一个遥远的地方有一个设备齐全的物理实验室。爱丽丝在她的实验室里测量场，给场提供能量并了解它的波动情况。这个实验使整个场脱离了基态，但鲍勃观察到，他的真空仍然处于最低能量状态，场仍随机波动。

　　但是，爱丽丝给鲍勃发消息，告知了她周围的真空的变化，主要是告诉鲍勃什么时候插上他的电池。在鲍勃阅读了她的信息之后，他可以利用这一信息来准备一个实验，从真空中提取能量，即爱丽丝从另一个空间注入的能量。

　　理论物理学家爱德华多·马丁·马丁内斯（Eduardo Martín·Martínez）说：“如果你愿意，这些信息可以让鲍勃准确描述波动。”(他补充说，由于量子场的抽象性质，“描述”这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，鲍勃不能提取比爱丽丝所提供的更多的能量。而且在爱丽丝的文本到达之前，他缺乏提取能量的必要信息，所以没有任何超光速的效应。该协议并不违反任何物理原则。

　　尽管如此，堀田昌宽发表的文章还是引起了争议。很多人认为在科幻小说中才会有利用真空零点能的机器，而他的理论使一些厌倦了为这种机器提出疯狂建议的物理学家感到愤怒。但堀田昌宽确信这种设计是会有收获的，他继续发展他的理论，并在演讲中宣传它。堀田昌宽受到了恩鲁的鼓励，恩鲁因发现了另一种奇特的真空行为而名声大噪。

　　“这种东西对我来说几乎是第二天性，” 恩鲁说，“你可以用量子力学做奇怪的事情。”

　　堀田昌宽也在寻找一种方法来测试他的理论。他与日本东北大学专门研究凝聚态物理的实验专家游佐刚（Go Yusa）联系上了。他们提出在一个具有类似于电磁场纠缠基态的半导体系统中进行实验。

　　但是他们的研究却被一再延迟。在他们的初始实验获得资助后不久，2011年3月的地震和海啸摧毁了日本的东海岸，包括东北大学。近年来，多次的地震曾有两次损坏了他们精密的实验室设备。如今他们又一次从头开始了。

　　实现跳跃

　　随着时间的推移，堀田昌宽的想法也在地球上一个不那么容易发生地震的地方扎根了。在恩鲁的建议下，2013年堀田昌宽在加拿大班夫发表了演讲。这次演讲激发了马丁内斯的想象力。马丁内斯说：“堀田昌宽与其他人的思维方式不同”，“他是一个有丰富想法的人，非常有创造力。”

　　量子能量隐形传态的实验在IBM的一台量子计算机上进行了远程传输协议的实验测试，图为在2020年拉斯维加斯的消费电子展上展出的IBM量子计算机

　　马丁内斯半开玩笑地称自己为 “时空工程师”，长期以来他被科幻小说中的前沿物理学所吸引。他梦想着找到用合理的物理方法来创造虫洞、曲速驱动器和时间机器。每一个奇特的现象都对应着广义相对论的方程式所允许的奇异的时空形状。但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（Roger Penrose）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在广义相对论上提出了一些物理限制，使得该理论无法展现其野蛮的一面。

　　霍金-彭罗斯的理论中最主要的限制是禁止负能量密度。但在听了堀田昌宽的演讲后，马丁内斯意识到，低于基态的能量密度有点像是让能量变为负能量。这个概念对一个《星际迷航》的粉丝来说是一种很大的吸引，于是他投入到堀田昌宽的工作中。

　　他很快意识到能量传送可以帮助量子信息领域的研究者解决所面临的问题，比如滑铁卢大学的物理学家雷蒙德·拉弗兰姆（ Raymond Laflamme），以及他当时的学生纳耶里·罗德里格斯·布里奥斯（Nayeli Rodríguez Briones）。他们两个人有个更实际的目标：把量子比特，即量子计算机的基本单元，变得尽可能的冷。冷量子比特是可靠的量子比特，但这个小组遇到了一个理论极限，超过这个极限似乎就不可能提取更多的热量，就像鲍勃面对一个似乎不可能提取能量的真空。

　　在第一次向拉弗兰姆的团队介绍时，马丁内斯面临很多的质疑。但随着马丁内斯打消了他们的疑虑，拉弗兰姆的团队更容易接受这一理论了。他们开始研究量子能量隐形传态，并在2017年提出了一种将能量从量子比特中转移出来的方法，这使它们比任何其他已知的方法做到的更冷。即便如此，“这都是理论”，马丁内斯说，“没有任何实验”。

　　马丁内斯和布里奥内斯与拉弗拉姆一起，和一位实验者海曼特·卡蒂亚尔（ Hemant Katiyar）共同着手改变这种情况。

　　他们利用了核磁共振技术，这种技术使用强大的磁场和无线电脉冲来操纵大分子中原子的量子状态。该小组花了几年时间计划这个实验，然后卡蒂亚尔设计了一个两个的碳原子之间传送能量的实验，两个的碳原子分别扮演爱丽丝和鲍勃的角色。

　　首先，一系列经过微调的无线电脉冲使碳原子系统处于一个特殊的最低能量基态，其特点是两个原子之间存在量子纠缠。该系统的零点能量由两个碳原子——我们就用上文中提到的“爱丽丝”和“鲍勃”代称——的初态和它们之间的量子纠缠所决定的。

　　接下来，他们向“爱丽丝”和第三个原子发射了一个无线电脉冲，同时对爱丽丝的位置进行测量，并将信息传输到一个原子的“文本信息”中。

　　最后，对准“鲍勃”和中间原子的另一个脉冲同时将信息传输给鲍勃，并在那里进行测量，完成了能量传输。

　　他们多次重复这一过程，在每个步骤中进行多次测量，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减少了，因此，能量是被提取并释放到环境中。尽管鲍勃原子一开始总是处于基态，但还是发生了这样的状况。从开始到结束，该协议花了不超过37毫秒的时间。但是，要想让能量从分子的一边传到另一边，通常需要20多倍的时间，接近一整秒。爱丽丝所损失的能量使鲍勃能够获得其他方式无法获得的能量。

　　布里奥内斯说：“我们很高兴能够看到用目前的技术实现能量的转移”。

　　他们在论文中描述了量子能量隐形传态的首次演示，该研究后来在在物理学顶级期刊上发表。

　　第二个实验在10个月后进行。

　　2022年圣诞节前几天，石溪大学的量子计算研究员池田一树（Kazuki Ikeda）正在观看一个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做类似的事情。然后他想起了堀田昌宽的工作，堀田昌宽是他在东北大学读本科时的教授，他意识到可以在量子计算平台上运行一个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。实验验证了鲍勃的量子比特下降到其基态能量以下。到今年1月7日，他在一篇论文中公布了他的结果。

　　在堀田昌宽首次提出能量传送的概念近15年后，两个相隔不到一年的简单实验就证明了这个理论是可能的。

　　“这些实验做得很好，”劳埃德说。“我有点惊讶，没有人更早地做到这一点。”

　　科幻之梦

　　然而，堀田昌宽还没有完全满意。

　　他称赞这些实验是重要的第一步。但他认为这些实验是量子模拟，也就是说，纠缠行为是通过无线电脉冲或在量子计算平台中的操作被编入基态的。他希望是要从一个系统中获取零点能量，这个系统的基态自然具有纠缠的特征，就像渗透在宇宙中的基本量子场一样。

　　为此，堀田昌宽和游佐刚正在推进他们的实验。在未来的几年里，他们希望能在一个具有本质的纠缠基态且以边缘电流为特征的硅表面展示量子能量远程传输，其行为更接近于电磁场的系统。

　　同时，针对于能量传送可能有什么好处，每个物理学家都有自己的观点。布里奥内斯认为，除了帮助稳定量子计算机之外，它还将继续在研究量子系统的热、能量和纠缠方面发挥重要作用。1月下旬，池田发表了另一篇论文，详细介绍了如何在新生的量子互联网中建立能量远程传输。

　　马丁内斯继续追寻他的科幻梦想。他与广义相对论模拟专家埃里克·施奈特（Erik Schnetter）合作，精确计算时空对特定的负能量排列会有什么反应。

　　一些研究人员认为他的探索很有趣。“这是一个值得称赞的目标”，劳埃德笑着说，“从某种意义上说，不跟进这个问题是不负责任的科学行为，负能量密度有非常重要的意义”。

　　其他人提醒说，从负能量到奇异形状时空的道路是曲折和不确定的。“我们对量子关联的理论仍在发展中，”恩鲁说。“一旦能够进行计算，人们会不断对实际情况感到惊讶。”

　　就堀田昌宽而言，他并没有花太多时间考虑塑造时空的问题。现在让他感到高兴的是，他从2008年开始的量子关联的计算已经观测到了一个真正的物理现象。

　　“这是真正的物理学，” 堀田昌宽说，“不是科幻小说。”

　　本文2023年7月11日发表于微信公众号 中科院物理所 ，风云之声获授权转载。