用量子理论凭空生成能量：物理学家学会使用零点能

选自量子杂志

作者：Charlie Wood

机器之心编译

编辑：泽南、陈萍

直接提取真空零点能是在造永动机，违背能量守恒定律，现在有人通过从远处「借用」的方法实现了突破。

这是一件人们无法想象的事，物理学家已经实现用量子等价物从接近真空中凭空变出能量，这一壮举似乎违背了物理定律和常识。

「你不能直接从真空中提取能量，因为那里没有任何东西，」不列颠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，日本东北大学理论物理学家堀田昌宽（Masahiro Hotta）提出，也许真空实际上可以被诱导输出一些东西。

起初，许多研究人员忽视了这项工作，怀疑从真空中提取能量的思想是完全不可信的。然而，仔细观察的人们意识到，堀田暗示的是一种截然不同的量子特技。能量不是免费的，它必须使用在遥远的地方用能量购买的知识来解锁。从这个角度来看，堀田昌宽的理论看起来不像是创造，而更像是将能量从一个地方传送到另一个地方 —— 一个奇怪但不那么令人反感的想法。

「这真是一个惊喜，」Unruh 表示，他曾与堀田昌宽合作但没有参与能量传送研究。「这是一个美妙的结果。」

在过去的一年里，研究人员已经在两个独立的量子设备中跨越微观距离传送能量，证明了堀田昌宽的理论。这项研究几乎没有让人怀疑能量隐形传态是一种真正的量子现象。

「实验证明了理论，」麻省理工学院（MIT）的量子物理学家 Seth Lloyd 表示。「你实际上是在传送，你在抽取能量。」

量子货币

第一个对量子能量隐形传态持怀疑态度的人是堀田昌宽本人。

2008 年，他开始寻找方法来测量一种称为「量子纠缠」的特殊量子力学联系的强度，其中两个或多个物体共享一个统一的量子态，即使相距很远，它们也会以相关的方式表现。纠缠的一个决定性特征是你必须一举创造它。你不能通过独立地摆弄一个对象和另一个对象来设计相关行为，即使你打电话给另一个地方的朋友并告诉他们你做了什么也不行。

堀田昌宽于 2008 年提出了量子能量隐形传态协议。

在研究黑洞时，堀田开始怀疑量子理论中的奇异事件「负能量」，可能是测量纠缠的关键。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。堀田指出负能量和纠缠似乎密切相关。为了加强他的论点，他着手证明负能量 —— 比如纠缠 —— 不能通过在不同地点的独立行动产生。

堀田昌宽惊讶地发现，事实上，一个简单的事件序列可以导致量子真空变为负值 —— 放弃它似乎没有的能量。「一开始我以为我搞错了，」堀田昌宽说道，「所以我又计算了一下，我检查了我的逻辑。然而我找不到任何破绽。」

问题出在量子真空的奇异性质上，这是一种奇特的虚无，但又无时不接近于存在物质。不确定性原理禁止任何量子系统进入完全零能量的完全安静状态。结果是，即使完全的真空也必须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。物理学家认为，具有这种最小能量的系统处于基态。

处于基态的系统有点像停在丹佛（海拔 1.6 公里）街头的汽车。即使它远高于海平面，也不能再低了。

量子力学中，量子涨落在空间生成由粒子和反粒子组成的虚粒子对。粒子对借取能量而生成，又在短时间内湮灭归还能量。这些产生的虚粒子的物理效应是可以被测量的，例如，电子的有效电荷与裸电荷不同。从量子电动力学的兰姆位移与卡西米尔效应，可以观测到这种效应。

堀田昌宽的理论就像找到了一个地下车库。他意识到，要开启这扇门，只需要利用量子场中的一种内在纠缠就可以。对永动机有所了解的人都知道，不间断的真空波动不能用来为其提供动力，因为给定位置的波动完全是随机的。你想象一下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，而另一半则会将其耗尽。

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。早在 2008 年，堀田发表了一篇论文，概述了两位量子物理中的老熟人 Alice 和 Bob 如何利用量子纠缠从 Bob 周围的基态中提取能量。

具体来说，Bob 他想给那个奇特的量子电池充电，但他只能满足真空空间。幸运的是，他的朋友 Alice 在很远的地方有一个设备齐全的物理实验室。Alice 在她的实验室里测量磁场，并注入能量了解其波动。这个实验使整个场脱离基态，但据 Bob 所知，他的真空仍处于最低能量状态，即随机波动。

但随后 Alice 根据自己周围的变化信息，主要是通知 Bob 何时插入电池，在 Bob 阅读信息后，他可以利用新发现的知识准备实验，从真空中提取能量，即 Alice 注入的能量。

滑铁卢大学的理论物理学家 Eduardo Martín-Martínez 表示，如果你愿意的话，这些信息可以让 Bob 对波动进行计时。他还补充说，由于量子场的抽象性质，时间的概念比字面意思更隐喻。

英属哥伦比亚大学的 William Unruh 表示，你可以用量子力学做一些奇怪的事情。

在整个实验中，Bob 不能提取比 Alice 输入更多的能量，因为能量是守恒的。在 Alice 的文本到达之前，Bob 缺乏提取能量的必要知识，所以没有任何效应的传播速度超过光速。因此协议没有违反物理原则。

然而，堀田的出版物遭到了批评，很多人认为只有小说中才会有真空零点能量。但堀田确信他发现了一些东西，继续自己的想法。后来他得到了 Unruh 的鼓励，Unruh 因发现另一种奇怪的真空行为而名声大噪。

堀田还是想方设法对其发现进行测试，之后他结识了东北大学专门研究凝聚态物质的教授游佐刚（Go Yusa）。他们提议在具有类似于电磁场的纠缠基态的半导体系统中进行实验。

但他们的研究却一再延误，在最初的实验获得资助后不久，由于自然原因，他们的实验设备被震坏两次，如今，他们又一次基本上从零开始。

一次跳跃

堀田曾在 2013 年做过一次演讲，这个演讲激发了 Martín-Martínez 的无限想象。Martín-Martínez 表示：堀田的思维方式与其他人不同，他是一个很有创意、想到就要付诸行动的人。

IBM 的量子计算机。

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。他的梦想是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极其适应的方程所允许的奇异时空形状。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。

彭罗斯 - 霍金理论体系中最主要的一条是禁止负能量密度。但是，在听堀田昌宽的介绍时，Martín-Martínez 意识到，低于基态听起来有点像让能量变成负能量。这个概念对星际迷航的粉丝来说很有趣，他一头扎进了堀田的论文中。

他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研究者所面临的问题，其中包括滑铁卢的物理学家 Raymond Laflamme 和 Laflamme 当时的学生 Nayeli Rodríguez-Briones。两人有一个更实际的目标：采用量子 bite，即量子计算机的构建基础，并使它们尽可能地冷。冷量子比特是可靠的量子比特，但该小组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 Bob 面对一个似乎不可能从中提取能量的真空一样。

去年，滑铁卢大学的 Raymond Laflamme 小组验证了量子能量隐形传态协议。

在第一次向 Laflamme 的团队推介时，Martín-Martínez 面临着许多怀疑的问题。但他们很快变得接受，开始研究量子能量隐形传态，并在 2017 年提出了一种方法，将能量从量子比特中转移出来，使其比任何其他已知程序能做到得更冷。即便如此，「这都是理论，」Martín-Martínez 说道。「没有实验。」

Martín-Martínez 和 Rodríguez-Briones 以及 Laflamme 和一位实验主义者 Hemant Katiyar 开始着手改变这种状况。

他们求助于一种称为核磁共振的技术，该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态。该小组花了几年时间计划实验，然后在疫情期间的几个月里，Katiyar 安排在两个碳原子之间传送能量，扮演 Alice 和 Bob 的角色。

首先，一系列精细调谐的无线电脉冲将碳原子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 Alice、Bob 的初始组合能量和它们之间的纠缠定义。

接下来，他们向 Alice 和第三个原子发射单个无线电脉冲，同时对 Alice 的位置进行测量并将信息传输到原子「文本消息」。最后，针对 Bob 和中间原子的另一个脉冲同时将消息传输给 Bob 并在那里进行测量，从而完成能量「无中生有」。

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 Bob 碳原子的平均能量下降，可知能量被提取并释放到环境中。尽管 Bob 原子总是以基态开始，但还是发生了这种情况。从开始到结束，该协议只用了不超过 37 毫秒。要不是能量从分子的一侧传播到另一侧，通常需要 20 多倍的时间 —— 接近一整秒。Alice 消耗的能量使 Bob 能够解锁其他方式无法获得的能量。

「看到利用目前的技术可以观察到能量的激活，这真是太棒了，」现就职于加州大学伯克利分校的 Rodríguez-Briones 说道。他们在 2022 年 3 月发布的预印版论文《Experimental activation of strong local passive states with quantum information》中描述了量子能量隐形传态的首次演示，该研究已被物理学顶刊《Physical Review Letters》（PRL）接收发表。

Nayeli Rodríguez-Briones 认为这些系统可用于研究量子系统中的热、能量和纠缠。

第二次演示将在十个月后进行。

圣诞节前几天，石溪大学的量子计算研究员 Kazuki Ikeda 正在观看一个提到无线能量传输的 YouTube 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，他想起了堀田昌宽的工作 —— 在东北大学读本科时堀田曾是他的教授之一 —— 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 Bob 量子比特下降到其基态能量以下。到 1 月 7 日，他已经在预印版论文《First Realization of Quantum Energy Teleportation on Superconducting Quantum Hardware》中发布了他的结果。

在堀田昌宽首次描述能量传送近 15 年后，相隔不到一年的两次简单演示证明了这是可能的。

「实验论文做得很好，」Lloyd 表示。「我有点惊讶于没有人更早做到这一点。」

科幻的梦想

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。但他将它们视为量子模拟，因为其纠缠行为被编程为基态 —— 通过无线电脉冲或通过 IBM 设备中的量子操作实现。他希望人们最终能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。

为此，堀田昌宽和游佐刚正在推进他们最初的实验。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。Rodríguez-Briones 怀疑，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。1 月下旬，池田发表了另一篇论文，详细介绍了如何将能量传送到新生的量子互联网中。

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

一些研究人员发现他的探索很有趣。「这是一个值得称赞的目标，」Lloyd 笑着说。「从某种意义上说，不对此进行跟进在科学上是不负责任的。负能量密度具有非常重要的意义。」

其他人警告说，从负能量到奇异时空形状的道路是曲折且不确定的。「我们对量子关联的直觉仍在发展中，」Unruh 说道。「一旦能够进行计算，人们就会不断对实际情况感到惊讶。」

对于堀田昌宽而言，他并没有花太多时间思考雕刻时空。现在让他感到高兴的是，他从 2008 年开始的量子关联计算已经建立了真正的物理现象。

「这是真实的物理学，」堀田昌宽说道，「不是科幻小说。」

参考内容：

https://www.quantamagazine.org/physicists-use-quantum-mechanics-to-pull-energy-out-of-nothing-20230222/

https://arxiv.org/abs/2203.16269

https://arxiv.org/abs/2301.02666

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