违背物理定律？物理学家从“虚无”中提取能量，突破了理论极限

15年前，日本东北大学的理论物理学家霍塔（Masahiro Hotta）提出了一种利用量子测量信息（quantum measurement information）从真空中提取能量的方法。从真空中提取能量的概念在物理学中一直是一个高度理论性和争议性的话题。但在最新的研究中，物理学家们已经完成了相当于从“虚无”中提取能量的壮举，这似乎公然违背了物理定律和常识。

仔细研究发现，霍塔的理论不是无中生有（能量），而是把能量从一个地方传送到另一个地方。过去的一年里，研究人员在两个独立的量子设备中实现了能量在微观距离上的传送，证明了霍塔的理论是正确的。这项研究让人相信能量隐形传态（energy teleportation）是一种真正的量子现象。

量子纠缠

纠缠常被认为是一种独特的量子力学现象，但事实并非如此。先考虑一个简单的非量子版本的纠缠。纠缠出现在我们对两个系统的状态有部分了解的情况下。例如，系统可以是两个称之为c-on的对象。“c”是指“经典”。c-on有两种形状，方形或圆形。那么对于两个c-on，四种可能的状态是：

我们说c-on是“独立的”，如果知道其中一个的状态并不能得到另一个状态的有用信息。另一方面，如果其中一个c-on的信息提高了我们对另一个c-on的认识时，我们就说两个c-on纠缠在了一起。一个极端的情况是，如果其中一个是圆形，那么另一个就是方形，反之亦然。

量子纠缠在本质上是相同的现象——即缺乏独立性。在量子理论中，状态是由称为波函数的数学对象描述的。量子纠缠的强度与粒子之间的距离没有直接关系。即使两个纠缠的粒子相隔很远，它们之间的纠缠度仍然可以非常高。这种非局域性是量子纠缠的另一个神奇之处。

2008年，霍塔希望找到一种方法来测量纠缠的链接强度，在这种链接中，两个或多个物体共享一个统一的量子态，使它们即使相隔很远也能以相关的方式表现。在研究黑洞时，霍塔发现，负能量和纠缠似乎密切相关。一个简单的事件可以诱导量子真空变为负值。问题来自于量子真空的奇异性质，它是一种特殊的“无”，非常接近于“有”。

量子真空是指不存在粒子或辐射的状态，是指在量子力学中描述的真空状态。虽然在经典物理学中，真空被认为是一个不存在任何物质或能量的空间，但在量子物理学中，即使在真空状态下，仍然会存在量子涨落，即短暂地产生和湮灭粒子对。

不确定性原理禁止任何量子系统稳定在完全零能量的状态下。这些永不停止的波动给每个场注入了一些最小的能量，被称为零点能量。物理学家说，具有这种最小能量的系统处于基态。

但量子场是纠缠的——一个点的涨落往往与另一个点的涨落相匹配。2008年，霍塔发表了一篇论文，概述了两位物理学家Alice和Bob如何利用这些相关性从Bob周围的基态中提取能量。

霍塔的观点遭到了批评。但他继续坚持并发展自己的想法，他还得到了Unruh的鼓励，Unruh因发现另一种奇怪的真空行为而声名鹊起。

霍塔在2013年加拿大的一次会议上做了一次演讲。在听霍塔的演讲时，Martín-Martínez（一个自称为时空工程师的物理学家）意识到，在基态以下浸入，听起来有点像让能量为负。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，以阻止出现负能量。

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，其中包括：获取量子比特——量子计算机的构建模块，并使它们尽可能地冷。冷量子位是可靠的量子位，但研究小组遇到了一个理论极限，超过这个极限似乎就不可能再提取热量了。

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抽走的方法，使量子比特最冷。但这都是理论，缺乏实验。

Martín-Martínez等人一起着手改变了这一现状。他们求助于一种被称为核磁共振的技术，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态。他们实验在两个碳原子之间传送能量，分别扮演爱丽丝和鲍勃。

首先，一系列精确调谐的无线电脉冲将碳原子置于一个特殊的最低能量基态，两个原子之间存在纠缠。系统的零点能量由爱丽丝和鲍勃的初始组合能量以及它们之间的纠缠来定义。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“文本信息”。最后，另一个针对鲍勃和中间原子的脉冲同时将消息传递给鲍勃，并在那里进行测量，完成了能量骗局。

他们多次重复这一过程，每一步都进行多次测量，以便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能量平均下降了，因此能量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，但这种情况还是发生了。从开始到结束，该协议花费的时间不超过37毫秒。但能量从分子的一边传到另一边，通常需要20多倍的时间——接近一秒。爱丽丝所消耗的能量使鲍勃能够解锁否则无法获得的能量。

加州大学伯克利分校的Rodríguez-Briones说：“利用现有的技术，我们可以观察到能量的激活，这真是太棒了”。

他们在2022年3月发布的预印本中描述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。

石溪大学的量子计算研究员Kazuki Ikeda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。他编写并远程执行了这样一个程序。实验证实了鲍勃量子比特下降到其基态能量以下。到1月7日，他已经以预印本的形式发布了他的研究结果。

在霍塔第一次描述能量隐形传态的近15年后，两个简单的演示证明了这是可能的。

然而，霍塔还没有完全满意。他的雄心是从一个系统中获取零点能量，这个系统的基态自然以纠缠为特征，就像渗透在宇宙中的基本量子场一样。在未来的几年里，他们希望在具有本质纠缠基态的边缘电流的硅表面上演示量子能量隐形传态，这是一个行为更接近电磁场的系统。