直接提取真空零點(diǎn)能是在造永動(dòng)機(jī)，違反能量守恒定理，如今有人通過(guò)從遠(yuǎn)處「借用」的方式實(shí)現(xiàn)了突破。
這是一件人們難以想像的事，化學(xué)學(xué)家早已實(shí)現(xiàn)用量子等價(jià)物從接近真空中陡然變出能量，這一創(chuàng)舉其實(shí)違反了數(shù)學(xué)定理和常識(shí)。
「你不能直接從真空中提取能量，由于那兒沒(méi)有任何東西，」不列顛羅馬尼亞學(xué)院的理論化學(xué)學(xué)家Unruh在描述標(biāo)準(zhǔn)思維方法時(shí)說(shuō)。
但15年前，臺(tái)灣西南學(xué)院理論化學(xué)學(xué)家堀田昌寬（Hotta）提出，其實(shí)真空實(shí)際上可以被誘導(dǎo)輸出一些東西。
原本，許多研究人員忽略了這項(xiàng)工作，懷疑從真空中提取能量的思想是完全不可信的。但是，仔細(xì)觀察的人們意識(shí)到，堀田暗示的是一種迥然不同的量子特技。能量不是免費(fèi)的，它必須使用在遙遠(yuǎn)的地方用能量訂購(gòu)的知識(shí)來(lái)解鎖。從這個(gè)角度來(lái)看，堀田昌寬的理論看上去不像是創(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)奇怪但不這么令人厭惡的看法。
「這真是一個(gè)驚喜，」Unruh表示，他曾與堀田昌寬合作但沒(méi)有參與能量傳送研究。「這是一個(gè)美妙的結(jié)果。」
在過(guò)去的一年里，研究人員早已在兩個(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(méi)有讓人懷疑能量隱型傳態(tài)是一種真正的量子現(xiàn)象。
「實(shí)驗(yàn)證明了理論，」麻省理工大學(xué)（MIT）的量子化學(xué)學(xué)家SethLloyd表示。「你實(shí)際上是在傳送，你在抽取能量。」
量子貨幣
第一個(gè)對(duì)量子能量隱型傳態(tài)持懷疑心態(tài)的人是堀田昌寬本人。
2008年，他開(kāi)始找尋方式來(lái)檢測(cè)一種稱(chēng)為「量子糾纏」的特殊量子熱學(xué)聯(lián)系的硬度，其中兩個(gè)或多個(gè)物體共享一個(gè)統(tǒng)一的量子態(tài)，雖然相距很遠(yuǎn)，它們也會(huì)以相關(guān)的形式表現(xiàn)。糾纏的一個(gè)決定性特點(diǎn)是你必須一舉創(chuàng)造它。你不能通過(guò)獨(dú)立地?fù)崤粋€(gè)對(duì)象和另一個(gè)對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)行為，就算你打電話(huà)給另一個(gè)地方的同學(xué)并告訴她們你做了哪些也不行。
堀田昌寬于2008年提出了量子能量隱型傳態(tài)合同。
在研究黑洞時(shí)，堀田開(kāi)始懷疑量子理論中的奇特風(fēng)波「負(fù)能量」，可能是檢測(cè)糾纏的關(guān)鍵。黑洞通過(guò)發(fā)射與其內(nèi)部糾纏在一起的幅射而收縮，這一過(guò)程也可以被視為黑洞吞噬負(fù)能量團(tuán)。堀田強(qiáng)調(diào)負(fù)能量和糾纏雖然密切相關(guān)。為了強(qiáng)化他的論據(jù)，他著手證明負(fù)能量——比如糾纏——不能通過(guò)在不同地點(diǎn)的獨(dú)立行動(dòng)形成。
堀田昌寬吃驚地發(fā)覺(jué)，事實(shí)上，一個(gè)簡(jiǎn)單的風(fēng)波序列可以造成量子真空變?yōu)樨?fù)值——放棄它雖然沒(méi)有的能量。「一開(kāi)始我以為我弄錯(cuò)了，」堀田昌寬說(shuō)道量子物理三大理論，「所以我又估算了一下，我檢測(cè)了我的邏輯。但是我找不到任何紕漏。」
問(wèn)題出在量子真空的奇特性質(zhì)上，這是一種獨(dú)特的虛無(wú)，但又無(wú)時(shí)不接近于存在物質(zhì)。不確定性原理嚴(yán)禁任何量子系統(tǒng)步入完全零能量的完全安靜狀態(tài)。結(jié)果是，雖然完全的真空也必須總是隨著飽含它的量子場(chǎng)的波動(dòng)而砰砰翻飛。那些永無(wú)止境的波動(dòng)使每位場(chǎng)都飽含了一些最低限度的能量，稱(chēng)為零點(diǎn)能量。化學(xué)學(xué)家覺(jué)得，具有這些最小能量的系統(tǒng)處于能級(jí)。
處于能級(jí)的系統(tǒng)有點(diǎn)像停在丹佛（海拔1.6公里）街頭的車(chē)輛。雖然它遠(yuǎn)低于海平面，也不能再低了。
量子熱學(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(duì)。粒子對(duì)借取能量而生成，又在短時(shí)間內(nèi)湮沒(méi)歸還能量。這種形成的虛粒子的化學(xué)效應(yīng)是可以被檢測(cè)的，比如，電子的有效電荷與裸電荷不同。從量子電動(dòng)熱學(xué)的蘭姆位移與卡西米爾效應(yīng)，可以觀測(cè)到這些效應(yīng)。
堀田昌寬的理論如同找到了一個(gè)地下車(chē)庫(kù)。他意識(shí)到，要開(kāi)啟這扇門(mén)，只須要借助量子場(chǎng)中的一種內(nèi)在糾纏就可以。對(duì)永動(dòng)機(jī)有所了解的人都曉得，不間斷的真空波動(dòng)不能拿來(lái)為其提供動(dòng)力，由于給定位置的波動(dòng)完全是隨機(jī)的。你想像一下將一個(gè)獨(dú)特的量子電瓶聯(lián)接到真空中，一半的波動(dòng)會(huì)為設(shè)備充電，而另一半則會(huì)將其用盡。
然而量子場(chǎng)是糾纏的，一個(gè)點(diǎn)的波動(dòng)常常與另一個(gè)點(diǎn)的波動(dòng)相匹配。早在2008年，堀田發(fā)表了一篇論文，概述了兩位量子化學(xué)中的老熟人Alice和Bob怎么利藥量子糾纏從Bob周?chē)哪芗?jí)中提取能量。
具體來(lái)說(shuō)，Bob他想給哪個(gè)獨(dú)特的量子電瓶充電，但他只能滿(mǎn)足真空空間。辛運(yùn)的是，他的同事Alice在很遠(yuǎn)的地方有一個(gè)設(shè)備齊全的數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室。Alice在她的實(shí)驗(yàn)室里檢測(cè)磁場(chǎng)，并注入能量了解其波動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使整個(gè)場(chǎng)脫離能級(jí)，但據(jù)Bob所知量子物理三大理論，他的真空仍處于最低能量狀態(tài)，即隨機(jī)波動(dòng)。
但隨即Alice按照自己周?chē)淖兓畔ⅲ饕峭ㄖ狟ob何時(shí)插入電板，在Bob閱讀信息后，他可以借助新發(fā)覺(jué)的知識(shí)打算實(shí)驗(yàn)，從真空中提取能量，即Alice注入的能量。
滑鐵盧學(xué)院的理論化學(xué)學(xué)家Martín-Martínez表示，假如你樂(lè)意的話(huà)，這種信息可以讓Bob對(duì)波動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)。他還補(bǔ)充說(shuō)，因?yàn)榱孔訄?chǎng)的具象性質(zhì)，時(shí)間的概念比字面意思更圖式。
英屬洪都拉斯學(xué)院的Unruh表示，你可以藥量子力學(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，由于能量是守恒的。在Alice的文本抵達(dá)之前，Bob缺少提取能量的必要知識(shí)，所以沒(méi)有任何效應(yīng)的傳播速率超過(guò)光速。因而合同沒(méi)有違背化學(xué)原則。
但是，堀田的出版物受到了批評(píng)，好多人覺(jué)得只有小說(shuō)中才能有真空零點(diǎn)能量。但堀田確信他發(fā)覺(jué)了一些東西，繼續(xù)自己的看法。后來(lái)他得到了Unruh的鼓勵(lì)，Unruh因發(fā)覺(jué)另一種奇怪的真空行為而聲譽(yù)大噪。
堀田還是想方設(shè)法對(duì)其發(fā)覺(jué)進(jìn)行測(cè)試，然后他結(jié)交了西南學(xué)院專(zhuān)門(mén)研究匯聚態(tài)物質(zhì)的院長(zhǎng)游佐剛（GoYusa）。她們提議在具有類(lèi)似于電磁場(chǎng)的糾纏能級(jí)的半導(dǎo)體系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
但她們的研究卻一再延誤，在最初的實(shí)驗(yàn)獲得捐助后不久，因?yàn)樽匀痪売桑齻兊膶?shí)驗(yàn)設(shè)備被震壞兩次，現(xiàn)在，她們又一次基本上從零開(kāi)始。
一次跳躍
堀田曾在2013年做過(guò)一次講演，這個(gè)講演迸發(fā)了Martín-Martínez的無(wú)限想像。Martín-Martínez表示：堀田的思維方法與其他人不同，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」，常年以來(lái)他仍然被懸疑小說(shuō)邊沿的數(shù)學(xué)學(xué)所吸引。他的夢(mèng)想是找到在數(shù)學(xué)上可行的方式來(lái)制造蟲(chóng)洞、曲速引擎和時(shí)間機(jī)器。這種奇特現(xiàn)象中的每一個(gè)都相當(dāng)于廣義相對(duì)論非常適應(yīng)的多項(xiàng)式所容許的奇特時(shí)空形狀。但它們也被所謂的能量條件所嚴(yán)禁，著名化學(xué)學(xué)家羅杰?彭羅斯和斯蒂芬?霍金在廣義相對(duì)論之上施加了一些限制，以制止該理論詮釋其野性的一面。
彭羅斯-霍金理論體系中最主要的一條是嚴(yán)禁負(fù)能量密度。并且，在聽(tīng)堀田昌寬的介紹時(shí)，Martín-Martínez意識(shí)到，高于能級(jí)聽(tīng)上去有點(diǎn)像讓能量弄成負(fù)能量。這個(gè)概念對(duì)星際迷航的粉絲來(lái)說(shuō)很有趣，他一頭扎進(jìn)了堀田的論文中。
他很快意識(shí)到能量隱型傳態(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(wèn)題，其中包括滑鐵盧的化學(xué)學(xué)家和當(dāng)時(shí)的中學(xué)生Rodríguez-。二人有一個(gè)更實(shí)際的目標(biāo)：采用量子bite，即量子計(jì)算機(jī)的建立基礎(chǔ)，并使它們盡可能地冷。冷量子比特是可靠的量子比特，但該小組早已遇見(jiàn)了一個(gè)理論極限，超過(guò)這個(gè)極限恐怕就不可能再吸出更多的熱量——就像Bob面對(duì)一個(gè)雖然不可能從中提取能量的真空一樣。
今年，滑鐵盧學(xué)院的小組驗(yàn)證了量子能量隱型傳態(tài)合同。
在第一次向的團(tuán)隊(duì)推介時(shí)，Martín-Martínez面臨著許多懷疑的問(wèn)題。但她們很快顯得接受，開(kāi)始研究量子能量隱型傳態(tài)，并在2017年提出了一種方式，將能量從量子比特中轉(zhuǎn)移下來(lái)，使其比任何其他已知程序能做到得更冷。雖然這么，「這都是理論，」Martín-Martínez說(shuō)道。「沒(méi)有實(shí)驗(yàn)。」
Martín-Martínez和Rodríguez-以及和一位實(shí)驗(yàn)主義者開(kāi)始著手改變這些狀況。
她們求救于一種稱(chēng)為核磁共振的技術(shù)，該技術(shù)使用強(qiáng)悍的磁場(chǎng)和無(wú)線(xiàn)電脈沖來(lái)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)，之后在疫情期間的幾個(gè)月里，安排在兩個(gè)碳原子之間傳送能量，飾演Alice和Bob的角色。
首先，一系列精細(xì)調(diào)諧的無(wú)線(xiàn)電脈沖將碳原子放在特定的最低能量能級(jí)，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。
接出來(lái)，她們向Alice和第三個(gè)原子發(fā)射單個(gè)無(wú)線(xiàn)電脈沖，同時(shí)對(duì)Alice的位置進(jìn)行檢測(cè)并將信息傳輸?shù)皆印肝谋鞠ⅰ埂Ｗ詈螅槍?duì)Bob和中間原子的另一個(gè)脈沖同時(shí)將消息傳輸給Bob并在那兒進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而完成能量「無(wú)中生有」。
她們多次重復(fù)這個(gè)過(guò)程，在每一步都進(jìn)行多次檢測(cè)，使她們能否在整個(gè)過(guò)程中重建三個(gè)原子的量子特點(diǎn)。最后，她們估算出Bob碳原子的平均能量升高，可知能量被提取并釋放到環(huán)境中。雖然Bob原子總是以能級(jí)開(kāi)始，但還是發(fā)生了此類(lèi)情況。從開(kāi)始到結(jié)束，該合同只用了不超過(guò)37納秒。要不是能量從分子的右側(cè)傳播到另左側(cè)，一般須要20多倍的時(shí)間——接近一整秒。Alice消耗的能量使Bob才能解鎖其他方法難以獲得的能量。
「看到借助目前的技術(shù)可以觀察到能量的激活，這真是太棒了，」現(xiàn)就職于加洲學(xué)院伯克利校區(qū)的Rodríguez-說(shuō)道。她們?cè)?022年3月發(fā)布的預(yù)印版論文《oflocalwith》中描述了量子能量隱型傳態(tài)的首次演示，該研究已被數(shù)學(xué)學(xué)頂刊《》（PRL）接收發(fā)表。
Rodríguez-覺(jué)得這種系統(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。
新年節(jié)前幾天，石溪學(xué)院的量子估算研究員Ikeda正在觀看一個(gè)提及無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)囊曨l。他想曉得是否可以藥量子力學(xué)來(lái)完成類(lèi)似的事情。之后，他想起了堀田昌寬的工作——在西南學(xué)院讀大專(zhuān)時(shí)堀田曾是他的院士之一——并意識(shí)到他可以在IBM的量子估算平臺(tái)上運(yùn)行量子能量隱型傳態(tài)合同。
在接出來(lái)的幾天里，他編撰并遠(yuǎn)程執(zhí)行了這樣一個(gè)程序。實(shí)驗(yàn)否認(rèn)Bob量子比特增長(zhǎng)到其能級(jí)能量以下。到1月7日，他早已在預(yù)印版論文《Firstofon》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(jiǎn)單演示證明了這是可能的。
「實(shí)驗(yàn)論文做得挺好，」Lloyd表示。「我有點(diǎn)錯(cuò)愕于沒(méi)有人更早做到這一點(diǎn)。」
懸疑的夢(mèng)想
但是，堀田昌寬還沒(méi)有完全滿(mǎn)意。
他贊揚(yáng)那些實(shí)驗(yàn)是重要的第一步。但他將它們視為量子模擬，由于其糾纏行為被編程為能級(jí)——通過(guò)無(wú)線(xiàn)電脈沖或通過(guò)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)的能級(jí)自然具有糾纏的特點(diǎn)，如同彌漫在宇宙中的基本量子場(chǎng)一樣。
因此，堀田昌寬和游佐剛正在推動(dòng)她們最初的實(shí)驗(yàn)。在接出來(lái)的幾年里，她們希望在具有本質(zhì)糾纏能級(jí)的邊沿電壓的硅表面展示量子能量隱型傳態(tài)——一個(gè)行為更接近電磁場(chǎng)的系統(tǒng)。
與此同時(shí)，對(duì)于能量隱型傳態(tài)的益處，每個(gè)化學(xué)學(xué)家都有自己的想法。Rodríguez-懷疑，不僅幫助穩(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月上旬，池田發(fā)表了另一篇論文，詳盡介紹了怎樣將能量傳送到新生的量子互聯(lián)網(wǎng)中。
Martín-Martínez也在繼續(xù)追逐他的懸疑夢(mèng)想。他與廣義相對(duì)論模擬專(zhuān)家Erik合作，希望確切估算時(shí)空對(duì)特定負(fù)能量排列的反應(yīng)。
一些研究人員發(fā)覺(jué)他的探求很有趣。「這是一個(gè)值得贊揚(yáng)的目標(biāo)，」Lloyd笑著說(shuō)。「從某種意義上說(shuō)，不對(duì)此進(jìn)行跟進(jìn)在科學(xué)上是不負(fù)責(zé)任的。負(fù)能量密度具有極其重要的意義。」
其他人警告說(shuō)，從負(fù)能量到奇特時(shí)空形狀的公路是坎坷且不確定的。「我們對(duì)量子關(guān)聯(lián)的直覺(jué)仍在發(fā)展中，」Unruh說(shuō)道。「一旦才能進(jìn)行估算，人們還會(huì)不斷對(duì)實(shí)際情況倍感欣慰。」
對(duì)于堀田昌寬而言，他并沒(méi)有花太多時(shí)間思索精雕時(shí)空。如今讓他倍感高興的是，他從2008年開(kāi)始的量子關(guān)聯(lián)估算早已構(gòu)建了真正的化學(xué)現(xiàn)象。
「這是真實(shí)的數(shù)學(xué)學(xué)，」堀田昌寬說(shuō)道，「不是懸疑小說(shuō)。」
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