能量隱形傳態(tài)（energy teleportation）聽起來像是科幻小說中的內(nèi)容。但近期一研究表明，實際上可以從真空中提取能量，“無中生有”在某種意義上是真實的。
根據(jù)《量子雜志》（Quanta Magazine）2月22日發(fā)布的一份新報告，兩項不同且獨立的物理實驗利用量子力學(xué)證明，通過在微觀距離上傳送能量，可以達到從真空中召喚能量——本質(zhì)上是從虛空中提取能量，這有力地支持了日本物理學(xué)家堀田正博（Masahiro Hotta）2008年提出的理論。
堀田正博2008年的研究讓他首次接觸到了負能量的概念，他當時認為這不是一個獨立存在的東西。然后他研究了量子真空，基于計算他相信：真空實際上可在量子場內(nèi)進行波動，并將能量在兩個區(qū)域之間移動。也許真空實際上可以被誘導(dǎo)輸出一些東西。
▲ 圖左：真空態(tài)中無法取出自由能
圖右：量子隱形傳輸能量的概念圖
如上圖所示，在現(xiàn)代物理中，真空并不是空無一物的，其中充滿了漲落的能量，但我們無法把真空中漲落的能量取出來利用。如果真空中不同區(qū)域之間有量子糾纏存在，基于量子隱形傳態(tài)（quantum teleportation）的思想，消耗能量EA對子系統(tǒng)A進行測量，獲得對A處真空漲落的信息，然后把此信息通過經(jīng)典通信傳到B處，我們就可以從子系統(tǒng)B中獲得可用能量EB了。
▲ 量子隱形傳輸能量方案示意圖
初始時，從局域上看，子系統(tǒng)A與B都處于能量最低的“真空”，我們將其定為能量零點，無法對外輸出有用的凈能量。另一方面，從整體上看A與B之間存在量子糾纏。首先對A實施測量，我們需要對它輸入能量EA。測量結(jié)果出來后，假設(shè)A的態(tài)處于α，由于A與B之間的量子糾纏，B將處于某個依賴于α的局域態(tài)。通過經(jīng)典通信把測量結(jié)果α告知B之后，就可以再用局域操作U(α)讓B系統(tǒng)變換到能量為-EB的狀態(tài)，與此同時B系統(tǒng)釋放出能量，也就是我們從B中取出了凈能量EB。這整個過程看起來就像是對我們對子系統(tǒng)A注入能量EA，經(jīng)過量子隱形能量傳輸，在遠方的B系統(tǒng)中取出了的能量，通常EB小于EA。
十多年前，當堀田正博首次提出其理論時，未引起太大轟動，當時人們認為從量子真空中提取能量并不現(xiàn)實，因為此理論似乎違背了物理定律和常識。正如不列顛哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)家威廉?安魯（William Unruh）所說：“真空環(huán)境下幾乎沒有任何東西可以提供，你無法從中提取能量”。
但是真空中的確存在某種量子場的波動，而從附近空間將能量拉入真空并使用該能量，則是現(xiàn)實的被稱為“隱形傳態(tài)”的概念。
2013年，堀田正博應(yīng)邀去加拿大報告。在聽到演講時，加拿大滑鐵盧大學(xué)IQC研究所Martín-Martínez很快意識到，能量隱形傳態(tài)可以幫助解決他在量子信息領(lǐng)域面臨的問題。他們開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抽走的方法。經(jīng)過多年的實驗技術(shù)提升，最近他們終于在核磁共振系統(tǒng)中實驗驗證了量子隱形傳輸能量。
現(xiàn)就職于加州大學(xué)的娜耶莉?羅德里格斯-布里奧內(nèi)斯 （Nayeli Rodriguez-Briones）也參與了實驗，她告訴《量子雜志》，“很高興看到，利用目前的技術(shù)，可以觀察到能量被激活”。
在實驗中，他們先將兩個原子制備到某種能量最低的基態(tài)：強局域被動態(tài)（strong local passive state），對其中任何一個原子進行任意局域操作都無法取出能量，且原子間有量子糾纏。然后他們對原子A與輔助原子C施加脈沖，打開它們之間的耦合，使輔助原子C獲得原子A的部分信息，并確保此操作不會改變原子B的能量。然后把原子C與原子B之間的耦合打開，這等價于把原子A的信息傳遞給B。在這一系列操作之后，我們就可以用局域操作從原子B中獲得能量了。上述實驗步驟只需37毫秒就可以完成，而能量從A傳輸?shù)紹原子所需要的時間需要一秒鐘，遠長于實驗時間。
▲ 2022年3月發(fā)布了量子能量隱形傳態(tài)的首次演示
這項研究已經(jīng)被《物理評論快報》接受并發(fā)表
雖然經(jīng)過15年量子隱形傳輸能量才獲得驗證，但目前的實驗并不讓人太滿意，從理論角度，它只是某種量子模擬。堀田正博教授正在與人合作，進一步發(fā)展基于凝聚態(tài)系統(tǒng)的實驗方案，基于硅基系統(tǒng)中的邊緣電流（其中天然具有量子糾纏）來實現(xiàn)量子隱形傳輸能量。量子隱形傳輸能量理論在黑洞物理學(xué)、彎曲時空量子場論等領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價值。
[1] Charlie Wood. Physicists Use Quantum Mechanics to Pull Energy out of Nothing. quanta magazine
[2] 尹璋琦（北京理工大學(xué)）. 量子隱形傳輸能量：從真空提取能量已成現(xiàn)實？ 中國科協(xié)科普部
[3] 新突破：利用“隱形傳態(tài)”從真空中提取能量. 網(wǎng)易號
