簡直像科幻一樣，把某處的真空能量隱形傳輸?shù)竭h(yuǎn)方。
上圖左：真空態(tài)中無法取出自由能；上圖右：量子隱形傳輸能量的概念圖；第三幅圖：量子隱形傳輸能量方案示意圖。丨圖片來源：參考資料[1]
量子隱形傳輸能量是日本東北大學(xué)堀田正博（Masahiro Hotta）教授[2]2008年提出的一個(gè)富有想象力與爭議的理論。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(jìn)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。下面詳細(xì)解釋一下這個(gè)過程。初始時(shí)，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(diǎn)，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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(yuǎn)方的B系統(tǒng)中取出了的能量，通常EB小于EA。量子隱形傳輸能量顯得很離經(jīng)叛道，因?yàn)橐_發(fā)利用真空零點(diǎn)能，反倒是科幻小說中類似的概念汗牛充棟，因此論文發(fā)表在《物理評論D》（PRD）[2]后并沒有太多關(guān)注。但堀田正博堅(jiān)持發(fā)展這個(gè)想法，2011年他與同事合作提出可以利用量子霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子隱形傳輸能量，并幸運(yùn)地申請到了經(jīng)費(fèi)資助。可不幸的是，他們遇到了2011年東日本大地震和隨之而來的海嘯，他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)施毀于一旦。
2013年，堀田正博應(yīng)邀去加拿大報(bào)告，把這個(gè)想法告訴了加拿大滑鐵盧大學(xué)IQC研究所的Martín-Martínez等人，引起了他們的興趣。他們很快就發(fā)現(xiàn)量子隱形傳輸能量的想法可以幫助改進(jìn)量子計(jì)算技術(shù)。研發(fā)量子計(jì)算機(jī)時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)之一在于量子比特的初始化，但它又會(huì)面臨真空漲落的限制。利用量子隱形傳輸能量的思想，2017年他們提出一種初始化量子比特的理論方案[4]。又經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)技術(shù)提升，最近他們終于在核磁共振系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子隱形傳輸能量。[5]在實(shí)驗(yàn)中，他們先將兩個(gè)原子制備到某種能量最低的基態(tài)：強(qiáng)局域被動(dòng)態(tài)（strong local passive state），對其中任何一個(gè)原子進(jìn)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(huì)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(shí)間需要一秒鐘，遠(yuǎn)長于實(shí)驗(yàn)時(shí)間。此論文已被《物理評論快報(bào)》（PRL）接收[6]。在此實(shí)驗(yàn)貼到預(yù)印本網(wǎng)站后過了8個(gè)月，另外一位學(xué)者基于IBM量子云平臺，也獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳輸能量的驗(yàn)證[7]。雖然經(jīng)過15年量子隱形傳輸能量才獲得驗(yàn)證，但目前的實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步發(fā)展基于凝聚態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)空量子場論等領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價(jià)值。[1] http://www.tuhep.phys.tohoku.ac.jp/~hotta/extended-version-qet-review.pdf
[2] http://www.tuhep.phys.tohoku.ac.jp/~hotta/
[3] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.78.045006
[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.050502
[5] https://arxiv.org/abs/2203.16269
[6] https://journals.aps.org/prl/accepted/74074Yf4Fc91c98230f91f68b90ad23c070a51171
[7] https://arxiv.org/abs/2301.02666
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