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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