在物理學(xué)最新的進(jìn)展中，物理學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了從真空中提取能量的實(shí)驗(yàn)。這是一個(gè)似乎與物理規(guī)律和常識(shí)相悖的壯舉。

理論物理學(xué)家威廉·恩魯（William Unruh）眼中物理學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)知是這樣的：“你不能直接從真空中提取能量，因?yàn)槟抢餂](méi)有什么可以提供?！?/p>

但是15年前，日本東北大學(xué)的理論物理學(xué)家堀田昌寬（Masahiro Hotta）提出，也許事實(shí)上真空可以提取出能量。

起初，許多研究人員忽視了這項(xiàng)工作，他們認(rèn)為從真空中提取能量是不可能的。然而，那些仔細(xì)審閱過(guò)這一想法的人意識(shí)到，堀田昌寬提出的是一個(gè)與之前認(rèn)知有著細(xì)微不同的量子力學(xué)方法。這些能量不是憑空得到的；它必須通過(guò)從遙遠(yuǎn)的空間耗散能量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。從這個(gè)角度來(lái)看，堀田昌寬的想法看起來(lái)不像是憑空創(chuàng)造能量，更像是能量從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的轉(zhuǎn)移，一個(gè)奇怪但不那么難以接受的想法。

“這個(gè)想法出乎我們的意料，”恩魯說(shuō)。他曾與堀田昌寬合作，但沒(méi)有參與過(guò)能量傳送的研究?！八l(fā)現(xiàn)的一個(gè)非常巧妙的結(jié)果?！?/p>

在過(guò)去的一年里，研究人員已經(jīng)用兩種方式實(shí)現(xiàn)了跨越微觀距離傳送能量，這證明了堀田昌寬的理論。這些研究證明了能量傳送是一種新發(fā)現(xiàn)的量子現(xiàn)象。

沒(méi)有參與這項(xiàng)研究的量子物理學(xué)家塞斯·勞埃德（ Seth Lloyd）說(shuō)：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了堀田昌寬的理論”，他說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)的確實(shí)現(xiàn)了能量傳輸，并且實(shí)現(xiàn)了能量的提取?！?/p>

第一個(gè)對(duì)量子能量隱形傳態(tài)展開(kāi)研究的是堀田昌寬本人。在2008年，堀田昌寬在尋找一種方法來(lái)測(cè)量量子糾纏的強(qiáng)度，這是一種奇特的量子力學(xué)聯(lián)系。在量子糾纏中，兩個(gè)或更多的物理對(duì)象處于一個(gè)統(tǒng)一的量子態(tài)，它們即使相隔遙遠(yuǎn)的距離，也能產(chǎn)生量子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。量子糾纏的一個(gè)決定性特征是，它必須被一次性直接建立。你不能通過(guò)對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行分別的獨(dú)立的操作實(shí)現(xiàn)量子糾纏，即使你給另一個(gè)地方的朋友打電話，并且同時(shí)告訴他們你的操作方式也不行。

在研究黑洞時(shí)，堀田昌寬開(kāi)始思考，量子理論中的一種奇特現(xiàn)象——負(fù)能量——可能是測(cè)量量子糾纏的關(guān)鍵。黑洞通過(guò)發(fā)射與其內(nèi)部產(chǎn)生量子糾纏的輻射而探索，這一過(guò)程也可以被認(rèn)為是黑洞吞噬了大量的負(fù)能量。堀田昌寬指出，負(fù)能量和量子糾纏似乎是密切相關(guān)的。為了驗(yàn)證他的觀點(diǎn)，他著手證明負(fù)能量——例如量子糾纏——不可能在不同的空間通過(guò)獨(dú)立的操作產(chǎn)生。

令堀田昌寬驚訝的是，他發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上一連串簡(jiǎn)單的事件可以誘導(dǎo)量子真空變成負(fù)能量，并放出量子真空中似乎并不擁有的能量。他說(shuō)：“一開(kāi)始我認(rèn)為我搞錯(cuò)了”，“所以我再次計(jì)算，并檢查我的邏輯。但我找不到任何錯(cuò)誤?！?/p>

問(wèn)題出自量子真空的獨(dú)特性質(zhì)，它是一種奇特的真空，但又時(shí)刻極限地接近于存在物質(zhì)。不確定性原理禁止任何量子系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)能量完全為零的狀態(tài)。因此，即使是真空也必須始終存在量子場(chǎng)的波動(dòng)。這些永無(wú)止境的波動(dòng)使每個(gè)場(chǎng)都具備一個(gè)最低的能量，稱為零點(diǎn)能。物理學(xué)家說(shuō)，一個(gè)具有這種最低能量的系統(tǒng)處于基態(tài)。處于基態(tài)的系統(tǒng)有點(diǎn)像停在高原城市街道上的一輛汽車。盡管它遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海平面，但它的能量也不能再低了。

然而，堀田昌寬似乎已經(jīng)找到了一個(gè)能量的“地下車庫(kù)”。他意識(shí)到，要打開(kāi)這扇門，他只需利用量子場(chǎng)的波動(dòng)中的內(nèi)在糾纏。

不間斷的真空能量波動(dòng)不能用來(lái)為永動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，因?yàn)樵谀骋惶囟ǖ攸c(diǎn)的能量波動(dòng)是完全隨機(jī)的。想象一下，如果你把一個(gè)奇特的量子電池連接到真空中，一半的波動(dòng)會(huì)給設(shè)備充電，而另一半波動(dòng)則會(huì)耗電。

但是量子場(chǎng)是糾纏的，一個(gè)地方的波動(dòng)往往與另一個(gè)地方的波動(dòng)相匹配。2008年，堀田昌寬發(fā)表了一篇論文概述了兩位“物理學(xué)家”，愛(ài)麗絲和鮑勃，如何利用量子糾纏從“鮑勃”周圍的基態(tài)中提取能量。這個(gè)計(jì)劃是這樣的：

鮑勃發(fā)現(xiàn)自己需要能量，他想給那個(gè)特殊的量子電池充電，但他處于真空中。幸運(yùn)的是，他的朋友愛(ài)麗絲在一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方有一個(gè)設(shè)備齊全的物理實(shí)驗(yàn)室。愛(ài)麗絲在她的實(shí)驗(yàn)室里測(cè)量場(chǎng)，給場(chǎng)提供能量并了解它的波動(dòng)情況。這個(gè)實(shí)驗(yàn)使整個(gè)場(chǎng)脫離了基態(tài)，但鮑勃觀察到，他的真空仍然處于最低能量狀態(tài)，場(chǎng)仍隨機(jī)波動(dòng)。

但是，愛(ài)麗絲給鮑勃發(fā)消息，告知了她周圍的真空的變化，主要是告訴鮑勃什么時(shí)候插上他的電池。在鮑勃閱讀了她的信息之后，他可以利用這一信息來(lái)準(zhǔn)備一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從真空中提取能量，即愛(ài)麗絲從另一個(gè)空間注入的能量。

理論物理學(xué)家愛(ài)德華多·馬丁·馬丁內(nèi)斯（Eduardo Martín·Martínez）說(shuō)：“如果你愿意，這些信息可以讓鮑勃準(zhǔn)確描述波動(dòng)?！?他補(bǔ)充說(shuō)，由于量子場(chǎng)的抽象性質(zhì)，“描述”這一概念更多的是比喻性的，而不是字面意思）。

由于能量是守恒的，鮑勃不能提取比愛(ài)麗絲所提供的更多的能量。而且在愛(ài)麗絲的文本到達(dá)之前，他缺乏提取能量的必要信息，所以沒(méi)有任何超光速的效應(yīng)。該協(xié)議并不違反任何物理原則。

盡管如此，堀田昌寬發(fā)表的文章還是引起了爭(zhēng)議。很多人認(rèn)為在科幻小說(shuō)中才會(huì)有利用真空零點(diǎn)能的機(jī)器，而他的理論使一些厭倦了為這種機(jī)器提出瘋狂建議的物理學(xué)家感到憤怒。但堀田昌寬確信這種設(shè)計(jì)是會(huì)有收獲的，他繼續(xù)發(fā)展他的理論，并在演講中宣傳它。堀田昌寬受到了恩魯?shù)墓膭?lì)，恩魯因發(fā)現(xiàn)了另一種奇特的真空行為而名聲大噪。

“這種東西對(duì)我來(lái)說(shuō)幾乎是第二天性，” 恩魯說(shuō)，“你可以用量子力學(xué)做奇怪的事情?！?/p>

堀田昌寬也在尋找一種方法來(lái)測(cè)試他的理論。他與日本東北大學(xué)專門研究凝聚態(tài)物理的實(shí)驗(yàn)專家游佐剛（Go Yusa）聯(lián)系上了。他們提出在一個(gè)具有類似于電磁場(chǎng)糾纏基態(tài)的半導(dǎo)體系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

但是他們的研究卻被一再延遲。在他們的初始實(shí)驗(yàn)獲得資助后不久，2011年3月的地震和海嘯摧毀了日本的東海岸，包括東北大學(xué)。近年來(lái)，多次的地震曾有兩次損壞了他們精密的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。如今他們又一次從頭開(kāi)始了。

隨著時(shí)間的推移，堀田昌寬的想法也在地球上一個(gè)不那么容易發(fā)生地震的地方扎根了。在恩魯?shù)慕ㄗh下，2013年堀田昌寬在加拿大班夫發(fā)表了演講。這次演講激發(fā)了馬丁內(nèi)斯的想象力。馬丁內(nèi)斯說(shuō)：“堀田昌寬與其他人的思維方式不同”，“他是一個(gè)有豐富想法的人，非常有創(chuàng)造力?！?/p>

馬丁內(nèi)斯半開(kāi)玩笑地稱自己為 “時(shí)空工程師”，長(zhǎng)期以來(lái)他被科幻小說(shuō)中的前沿物理學(xué)所吸引。他夢(mèng)想著找到用合理的物理方法來(lái)創(chuàng)造蟲洞、曲速驅(qū)動(dòng)器和時(shí)間機(jī)器。每一個(gè)奇特的現(xiàn)象都對(duì)應(yīng)著廣義相對(duì)論的方程式所允許的奇異的時(shí)空形狀。但它們也被所謂的能量條件所禁止，著名物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）和斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在廣義相對(duì)論上提出了一些物理限制，使得該理論無(wú)法展現(xiàn)其野蠻的一面。

霍金-彭羅斯的理論中最主要的限制是禁止負(fù)能量密度。但在聽(tīng)了堀田昌寬的演講后，馬丁內(nèi)斯意識(shí)到，低于基態(tài)的能量密度有點(diǎn)像是讓能量變?yōu)樨?fù)能量。這個(gè)概念對(duì)一個(gè)《星際迷航》的粉絲來(lái)說(shuō)是一種很大的吸引，于是他投入到堀田昌寬的工作中。

他很快意識(shí)到能量傳送可以幫助量子信息領(lǐng)域的研究者解決所面臨的問(wèn)題，比如滑鐵盧大學(xué)的物理學(xué)家雷蒙德·拉弗蘭姆（ Raymond Laflamme），以及他當(dāng)時(shí)的學(xué)生納耶里·羅德里格斯·布里奧斯（Nayeli Rodríguez Briones）。他們兩個(gè)人有個(gè)更實(shí)際的目標(biāo)：把量子比特，即量子計(jì)算機(jī)的基本單元，變得盡可能的冷。冷量子比特是可靠的量子比特，但這個(gè)小組遇到了一個(gè)理論極限，超過(guò)這個(gè)極限似乎就不可能提取更多的熱量，就像鮑勃面對(duì)一個(gè)似乎不可能提取能量的真空。

在第一次向拉弗蘭姆的團(tuán)隊(duì)介紹時(shí)，馬丁內(nèi)斯面臨很多的質(zhì)疑。但隨著馬丁內(nèi)斯打消了他們的疑慮，拉弗蘭姆的團(tuán)隊(duì)更容易接受這一理論了。他們開(kāi)始研究量子能量隱形傳態(tài)，并在2017年提出了一種將能量從量子比特中轉(zhuǎn)移出來(lái)的方法，這使它們比任何其他已知的方法做到的更冷。即便如此，“這都是理論”，馬丁內(nèi)斯說(shuō)，“沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)”。

馬丁內(nèi)斯和布里奧內(nèi)斯與拉弗拉姆一起，和一位實(shí)驗(yàn)者海曼特·卡蒂亞爾（ Hemant Katiyar）共同著手改變這種情況。

他們利用了核磁共振技術(shù)，這種技術(shù)使用強(qiáng)大的磁場(chǎng)和無(wú)線電脈沖來(lái)操縱大分子中原子的量子狀態(tài)。該小組花了幾年時(shí)間計(jì)劃這個(gè)實(shí)驗(yàn)，然后卡蒂亞爾設(shè)計(jì)了一個(gè)兩個(gè)的碳原子之間傳送能量的實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)的碳原子分別扮演愛(ài)麗絲和鮑勃的角色。

首先，一系列經(jīng)過(guò)微調(diào)的無(wú)線電脈沖使碳原子系統(tǒng)處于一個(gè)特殊的最低能量基態(tài)，其特點(diǎn)是兩個(gè)原子之間存在量子糾纏。該系統(tǒng)的零點(diǎn)能量由兩個(gè)碳原子——我們就用上文中提到的“愛(ài)麗絲”和“鮑勃”代稱——的初態(tài)和它們之間的量子糾纏所決定的。

接下來(lái)，他們向“愛(ài)麗絲”和第三個(gè)原子發(fā)射了一個(gè)無(wú)線電脈沖，同時(shí)對(duì)愛(ài)麗絲的位置進(jìn)行測(cè)量，并將信息傳輸?shù)揭粋€(gè)原子的“文本信息”中。

最后，對(duì)準(zhǔn)“鮑勃”和中間原子的另一個(gè)脈沖同時(shí)將信息傳輸給鮑勃，并在那里進(jìn)行測(cè)量，完成了能量傳輸。

他們多次重復(fù)這一過(guò)程，在每個(gè)步驟中進(jìn)行多次測(cè)量，使他們能夠在整個(gè)過(guò)程中重建三個(gè)原子的量子特性。最后，他們計(jì)算出鮑勃碳原子的平均能量減少了，因此，能量是被提取并釋放到環(huán)境中。盡管鮑勃原子一開(kāi)始總是處于基態(tài)，但還是發(fā)生了這樣的狀況。從開(kāi)始到結(jié)束，該協(xié)議花了不超過(guò)37毫秒的時(shí)間。但是，要想讓能量從分子的一邊傳到另一邊，通常需要20多倍的時(shí)間，接近一整秒。愛(ài)麗絲所損失的能量使鮑勃能夠獲得其他方式無(wú)法獲得的能量。

布里奧內(nèi)斯說(shuō)：“我們很高興能夠看到用目前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移”。

他們?cè)谡撐闹忻枋隽肆孔幽芰侩[形傳態(tài)的首次演示，該研究后來(lái)在在物理學(xué)頂級(jí)期刊上發(fā)表。

第二個(gè)實(shí)驗(yàn)在10個(gè)月后進(jìn)行。

2022年圣誕節(jié)前幾天，石溪大學(xué)的量子計(jì)算研究員池田一樹（Kazuki Ikeda）正在觀看一個(gè)提到無(wú)線能量傳輸?shù)囊曨l。他想知道是否可以用量子力學(xué)來(lái)做類似的事情。然后他想起了堀田昌寬的工作，堀田昌寬是他在東北大學(xué)讀本科時(shí)的教授，他意識(shí)到可以在量子計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)量子能量隱形傳態(tài)協(xié)議。

在接下來(lái)的幾天里，他編寫并遠(yuǎn)程執(zhí)行了這樣一個(gè)程序。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鮑勃的量子比特下降到其基態(tài)能量以下。到今年1月7日，他在一篇論文中公布了他的結(jié)果。

在堀田昌寬首次提出能量傳送的概念近15年后，兩個(gè)相隔不到一年的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)就證明了這個(gè)理論是可能的。

“這些實(shí)驗(yàn)做得很好，”勞埃德說(shuō)?！拔矣悬c(diǎn)驚訝，沒(méi)有人更早地做到這一點(diǎn)?！?/p>

然而，堀田昌寬還沒(méi)有完全滿意。

他稱贊這些實(shí)驗(yàn)是重要的第一步。但他認(rèn)為這些實(shí)驗(yàn)是量子模擬，也就是說(shuō)，糾纏行為是通過(guò)無(wú)線電脈沖或在量子計(jì)算平臺(tái)中的操作被編入基態(tài)的。他希望是要從一個(gè)系統(tǒng)中獲取零點(diǎn)能量，這個(gè)系統(tǒng)的基態(tài)自然具有糾纏的特征，就像滲透在宇宙中的基本量子場(chǎng)一樣。

為此，堀田昌寬和游佐剛正在推進(jìn)他們的實(shí)驗(yàn)。在未來(lái)的幾年里，他們希望能在一個(gè)具有本質(zhì)的糾纏基態(tài)且以邊緣電流為特征的硅表面展示量子能量遠(yuǎn)程傳輸，其行為更接近于電磁場(chǎng)的系統(tǒng)。

同時(shí)，針對(duì)于能量傳送可能有什么好處，每個(gè)物理學(xué)家都有自己的觀點(diǎn)。布里奧內(nèi)斯認(rèn)為，除了幫助穩(wěn)定量子計(jì)算機(jī)之外，它還將繼續(xù)在研究量子系統(tǒng)的熱、能量和糾纏方面發(fā)揮重要作用。1月下旬，池田發(fā)表了另一篇論文，詳細(xì)介紹了如何在新生的量子互聯(lián)網(wǎng)中建立能量遠(yuǎn)程傳輸。

馬丁內(nèi)斯繼續(xù)追尋他的科幻夢(mèng)想。他與廣義相對(duì)論模擬專家埃里克·施奈特（Erik Schnetter）合作，精確計(jì)算時(shí)空對(duì)特定的負(fù)能量排列會(huì)有什么反應(yīng)。

一些研究人員認(rèn)為他的探索很有趣?！斑@是一個(gè)值得稱贊的目標(biāo)”，勞埃德笑著說(shuō)，“從某種意義上說(shuō)，不跟進(jìn)這個(gè)問(wèn)題是不負(fù)責(zé)任的科學(xué)行為，負(fù)能量密度有非常重要的意義”。

其他人提醒說(shuō)，從負(fù)能量到奇異形狀時(shí)空的道路是曲折和不確定的?！拔覀儗?duì)量子關(guān)聯(lián)的理論仍在發(fā)展中，”恩魯說(shuō)?！耙坏┠軌蜻M(jìn)行計(jì)算，人們會(huì)不斷對(duì)實(shí)際情況感到驚訝?！?/p>

就堀田昌寬而言，他并沒(méi)有花太多時(shí)間考慮塑造時(shí)空的問(wèn)題?，F(xiàn)在讓他感到高興的是，他從2008年開(kāi)始的量子關(guān)聯(lián)的計(jì)算已經(jīng)觀測(cè)到了一個(gè)真正的物理現(xiàn)象。

“這是真正的物理學(xué)，” 堀田昌寬說(shuō)，“不是科幻小說(shuō)?！?/p>