自从学了量子力学，我竟然学会凭空提取能量

35小吃技术网推荐阅读 2023年09月25日21时37分54秒 66 0

在物理学的最新进展中，物理学家已经实现了从真空中提取能量的实验。这是一项似乎违背物理定律和常识的壮举。

根据理论物理学家威廉昂鲁的说法，物理学的传统观点是这样的：“你不能直接从真空中提取能量，因为那里没有任何东西可以提供。”

但15年前，日本东北大学的理论物理学家堀田正宏提出，能量实际上可能是从真空中提取的。

起初，许多研究人员忽视了这项工作，认为从真空中提取能量是不可能的。然而，那些仔细研究这个想法的人意识到，堀田正宏提出的量子力学方法与之前的想法略有不同。这种能量并非凭空而来，而是从无到有。它必须通过消散来自遥远太空的能量来完成。从这个角度来看，堀田的想法看起来不像是凭空创造能量，而更像是将能量从一个地方转移到另一个地方，这是一个奇怪但不那么压倒性的想法。

“这个想法超出了我们的预期，”恩鲁说。他曾与堀田正宏合作过，但并未参与能量转移研究。 “他发现了一个非常巧妙的结果。”

在过去的一年里，研究人员使用了两种方法在微观距离上传输能量，证明了堀田正宏的理论。这些研究表明能量转移是一种新发现的量子现象。

“这个实验验证了堀田正宏的理论，”未参与这项研究的量子物理学家塞思劳埃德说。能量提取。”

量子信用

第一个研究量子能量隐形传态的是堀田正宏本人。 2008 年， Hotta 正在寻找一种测量量子纠缠（一种特殊的量子力学连接）强度的方法。在量子纠缠中，两个或多个物理物体处于统一的量子态，即使它们相隔很远的距离，也能产生量子关联现象。量子纠缠的一个决定性特征是它必须立即直接建立。你无法通过对两个物体执行单独、独立的操作来实现量子纠缠，即使你打电话给另一个地方的朋友并同时告诉他们你是如何做到的也是如此。

2008年，堀田正宏提出量子能量隐形传态协议

在研究黑洞时，堀田正宏开始认为量子理论中的一种奇特现象——负能量——可能是测量量子纠缠的关键。黑洞通过发射与内部发生量子纠缠的辐射来进行探索，这一过程也可以被认为是黑洞吞噬大量负能量。堀田正宏指出，负能量与量子纠缠似乎密切相关。为了检验他的想法，他着手证明负能量（例如量子纠缠）不能通过不同空间中的独立操作产生。

令堀田正宏惊讶的是，他发现一系列简单的事件实际上可以诱导量子真空变得负能量，释放出量子真空似乎不具备的能量。 “一开始我以为我犯了一个错误，”他说。 “于是我又计算了一下，检查了我的逻辑，但没发现什么问题。”

这个问题源于量子真空的独特性质，这是一种奇怪的真空，每时每刻都尽可能接近物质的存在。不确定性原理禁止任何量子系统进入完全为零的能量状态。因此，即使在真空中，量子场也必然存在涨落。这些永无休止的波动赋予每个场一个最小的能量，称为零点能量。物理学家说，能量最低的系统处于基态。处于基态的系统有点像停在高原城市街道上的汽车。尽管它海拔很高，但它的能量却低得不能再低。

然而，堀田正宏似乎找到了能量的“地下车库”。他意识到，要打开这扇门，他只需利用量子场波动中固有的纠缠即可。

不间断的真空能量波动不能用于为永动机提供动力，因为特定位置的能量波动是完全随机的。想象一下，如果你将一个奇特的量子电池连接到真空中，一半的波动将为设备充电，而另一半则会耗尽电力。

但量子场是纠缠的，一个地方的波动往往与另一个地方的波动相匹配。 2008 年， Hotta 发表了一篇论文，概述了两位“物理学家”Alice 和 Bob 如何利用量子纠缠从“Bob”周围的基态提取能量。该计划如下所示：

鲍勃发现自己需要能量，他想给特殊的量子电池充电，但他处于真空中。幸运的是，他的朋友爱丽丝在很远的地方拥有一个设备齐全的物理实验室。爱丽丝在她的实验室中测量磁场，为其通电并观察它如何波动。这个实验使整个场脱离了基态，但鲍勃观察到他的真空仍然处于最低能量状态，并且场仍然在随机波动。

然而，爱丽丝向鲍勃发送了一条有关她周围真空变化的消息，本质上是告诉鲍勃何时插入电池。鲍勃读到她的消息后，他可以使用这些信息准备一个实验，从爱丽丝从另一个空间注入的真空中提取能量。

“如果你愿意的话，这些信息可以让鲍勃准确地描述波动，”理论物理学家爱德华多马丁内斯说。（他补充说，由于量子场的抽象性质，“描述”概念比字面意思更具象征意义）。

由于能量是守恒的，鲍勃无法提取比爱丽丝提供的更多的能量。而在爱丽丝的文本到达之前，他缺乏提取能量所需的信息，因此不存在超光速效应。该协议不违反任何物理原理。

尽管如此，堀田正宏的文章还是引起了争议。他的理论激怒了一些物理学家，他们厌倦了为机器提出疯狂的建议，许多人认为这些机器是科幻小说中的东西，可以利用真网空的零点能量。但堀田正宏相信这个设计会得到回报，他继续发展他的理论并在讲座中推广它。堀田正宏受到安留的鼓励，安留因发现另一种奇特的真空行为而闻名。

“这种事情对我来说几乎是第二天性，”昂鲁说。 “你可以用量子力学做一些奇怪的事情。”

Hotta 也在寻找一种方法来检验他的理论。他与日本东北大学专门研究凝聚态物理的实验家 Go Yusa 建立了联系。他们建议在具有类似于电磁场的纠缠基态的半导体系统中进行实验。

但他们的研究一再被推迟。在他们的初步实验获得资助后不久，2011 年 3 月的地震和海啸摧毁了日本东海岸，其中包括东北大学。近年来，多次地震两次损坏了他们精密的实验室设备。现在他们又要从头开始了。

实现跳跃

随着时间的推移，堀田的想法也在地球上地震较少的地区扎根。在昂鲁的建议下，堀田正宏于2013年在加拿大班夫发表演讲。这次演讲激发了马丁内斯的想象力。 “堀田正宏的想法与其他人不同，”马丁内斯说。 “他是一个有很多想法、非常有创造力的人。”

量子能量隐形传态实验在 IBM 的一台量子计算机上对隐形传态协议进行实验测试，图为 2020 年拉斯维加斯消费电子展上的照片

马丁内斯半开玩笑地称自己为“时空工程师”，长期以来一直对科幻小说中的尖端物理着迷。他梦想找到一种物理上合理的方法来创造虫洞、曲速驱动器和时间机器。每一种奇异现象都对应于广义相对论方程所允许的奇异时空形状。但它们也受到所谓能量条件的限制，即著名物理学家罗杰彭罗斯（Roger ）和斯蒂芬霍金（）对广义相对论施加的物理约束，使该理论无法展现其残酷的一面。

霍金-彭罗斯理论的主要局限性是禁止负能量密度。但听了堀田正宏的讲述后，马丁内斯意识到基态以下的能量密度有点像把能量变成负能量。这个概念对星际迷航迷来说是一个很大的吸引力，他全身心投入到堀田正宏的作品中。

他很快意识到能量转移可以帮助量子信息领域的研究人员，例如滑铁卢大学的物理学家雷蒙德拉夫拉姆 ( ) 和他的学生纳耶里罗德里罗德里格斯 ( Rodri Rodrguez)。两人有一个更实际的目标：使量子位（量子计算机的构建模块）尽可能冷。冷量子位是可靠的量子位，但该小组遇到了理论极限，超过该极限似乎不可能提取更多的热量，就像鲍勃面临着一个似乎不可能提取能量的真空一样。

滑铁卢大学雷蒙德拉夫拉姆 ( ) 的团队去年展示了量子能量隐形传态协议

当马丁内斯第一次被引入拉弗莱姆的球队时，他面临着很多质疑。但随着马丁内斯消除了他们的疑虑，拉弗拉姆的团队更容易接受这一理论。他们开始研究量子能量隐形传态，并于 2017 年提出了一种从量子位传输能量的方法，使量子位比任何其他已知方法都要凉爽。即便如此，“这都是理论，”马丁内斯说，“不是任何网实验。”

马丁内斯和布里奥内斯与拉弗拉姆一起，以及实验者海曼特卡地亚开始改变这一现状。

他们利用核磁共振，这是一种利用强大磁场和网无线电脉冲来操纵大分子中原子量子态的技术。该小组花了几年的时间来计划这个实验，然后凯蒂尔设计了一个实验，在这个实验中，能量在两个碳原子之间转移，扮演爱丽丝和鲍勃的角色。

首先，一系列精细调谐的无线电脉冲将碳原子系统置于特殊的最低能量基态，其特征是两个原子之间的量子纠缠。系统的零点能量由两个碳原子的初始状态（我们将使用前面提到的“爱丽丝”和“鲍勃”）以及它们之间的量子纠缠决定。

接下来，他们向“爱丽丝”和第三个原子发送无线电脉冲，同时测量爱丽丝的位置并将信息传输到原子的“文本消息”中。

最后，另一个针对“鲍勃”和中间原子的脉冲同时将信息传输给鲍勃，鲍勃在那里测量信息，完成能量转移。

他们多次重复这个过程，在每个步骤进行多次测量，从而使他们能够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平均能量减少了，因此能量被提取并释放到环境中。尽管鲍勃原子总是以基态开始，但这种情况还是发生了。从开始到结束，协议花费的时间不超过 37 毫秒。但能量从分子的一侧传播到另一侧，通常需要 20 倍以上的时间，接近一整秒。爱丽丝损失的能量使鲍勃能够获得原本无法获得的能量。

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