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物理学新突破能量的无中生有被证明!真空中提取能量已成现实?

  能量隐形传态(energy teleportation)听起来像是科幻小说中的内容。但近期一研究表明,实际上 可以从真空中提取能量 ,"无中生有"在某种意义上是真实的。
  根据 《量子杂志》(Quanta Magazine)2月22日 发布的一份新报告,两项不同且独立的物理实验利用量子力学证明, 通过在微观距离上传送能量,可以达到从真空中召唤能量——本质上是从虚空中提取能量 ,这有力地支持了日本物理学家 堀田正博(Masahiro Hotta) 2008年提出的理论。
  堀田正博2008年的研究让他首次接触到了负能量的概念,他当时认为这不是一个独立存在的东西。然后他研究了量子真空,基于计算他相信: 真空实际上可在量子场内进行波动,并将能量在两个区域之间移动。 也许真空实际上可以被诱导输出一些东西。
  ▲   图左:真空态中无法取出自由能
  图右:量子隐形传输能量的概念图
  如上图所示,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(quantum teleportation)的思想,消耗能量EA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EB了。
  ▲   量子隐形传输能量方案示意图
  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EA。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-EB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EB。这整个过程看起来就像是对我们对子系统A注入能量EA,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EB小于EA。
  十多年前,当堀田正博首次提出其理论时,未引起太大轰动,当时人们认为从量子真空中提取能量并不现实,因为此理论似乎违背了物理定律和常识。正如不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家威廉・安鲁(William Unruh)所说: "真空环境下几乎没有任何东西可以提供,你无法从中提取能量" 。
  但是真空中的确存在某种量子场的波动,而从附近空间将能量拉入真空并使用该能量,则是现实的被称为 "隐形传态" 的概念。
  2013年,堀田正博应邀去加拿大报告。在听到演讲时,加拿大滑铁卢大学IQC研究所Martín-Martínez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面临的问题。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抽走的方法。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。
  现就职于加州大学的娜耶莉‧罗德里格斯-布里奥内斯 (Nayeli Rodriguez-Briones)也参与了实验,她告诉《量子杂志》, "很高兴看到,利用目前的技术,可以观察到能量被激活"。
  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(strong local passive state),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,远长于实验时间。
  ▲   2022年3月发布了量子能量隐形传态的首次演示
  这项研究已经被《物理评论快报》接受并发表
  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,从理论角度,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。
  [1] Charlie Wood. Physicists Use Quantum Mechanics to Pull Energy out of Nothing. quanta magazine
  [2] 尹璋琦(北京理工大学). 量子隐形传输能量:从真空提取能量已成现实? 中国科协科普部
  [3] 新突破:利用"隐形传态"从真空中提取能量. 网易号
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