【康沃真空網(wǎng)】能量隱形傳態(tài)（energy teleportation）聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)中的內(nèi)容。但近期一研究表明，實(shí)際上可以從真空中提取能量，“無(wú)中生有”在某種意義上是真實(shí)的。

　　根據(jù)《量子雜志》（Quanta Magazine）2月22日發(fā)布的一份新報(bào)告，兩項(xiàng)不同且獨(dú)立的物理實(shí)驗(yàn)利用量子力學(xué)證明，通過(guò)在微觀距離上傳送能量，可以達(dá)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(fù)能量的概念，他當(dāng)時(shí)認(rèn)為這不是一個(gè)獨(dú)立存在的東西。然后他研究了量子真空，基于計(jì)算他相信：真空實(shí)際上可在量子場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，并將能量在兩個(gè)區(qū)域之間移動(dòng)。也許真空實(shí)際上可以被誘導(dǎo)輸出一些東西。

　　▲ 圖左：真空態(tài)中無(wú)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(wú)一物的，其中充滿了漲落的能量，但我們無(wú)法把真空中漲落的能量取出來(lái)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(duì)子系統(tǒng)A進(jìn)行測(cè)量，獲得對(duì)A處真空漲落的信息，然后把此信息通過(guò)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(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(wú)法對(duì)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(duì)A實(shí)施測(cè)量，我們需要對(duì)它輸入能量EA。測(cè)量結(jié)果出來(lái)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(lài)于α的局域態(tài)。通過(guò)經(jīng)典通信把測(cè)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(guò)程看起來(lái)就像是對(duì)我們對(duì)子系統(tǒng)A注入能量EA，經(jīng)過(guò)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。

　　十多年前，當(dāng)堀田正博首次提出其理論時(shí)，未引起太大轟動(dòng)，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為從量子真空中提取能量并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榇死碚撍坪踹`背了物理定律和常識(shí)。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(shuō)：“真空環(huán)境下幾乎沒(méi)有任何東西可以提供，你無(wú)法從中提取能量”。

　　但是真空中的確存在某種量子場(chǎng)的波動(dòng)，而從附近空間將能量拉入真空并使用該能量，則是現(xiàn)實(shí)的被稱(chēng)為“隱形傳態(tài)”的概念。

　　2013年，堀田正博應(yīng)邀去加拿大報(bào)告。在聽(tīng)到演講時(shí)，加拿大滑鐵盧大學(xué)IQC研究所Martín-Martínez很快意識(shí)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(wèn)題。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抽走的方法。經(jīng)過(guò)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。

　　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(shí)驗(yàn)，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(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(duì)其中任何一個(gè)原子進(jìn)行任意局域操作都無(wú)法取出能量，且原子間有量子糾纏。然后他們對(duì)原子A與輔助原子C施加脈沖，打開(kāi)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?cè)覤的能量。然后把原子C與原子B之間的耦合打開(kāi)，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(zhǎng)于實(shí)驗(yàn)時(shí)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(xiàng)研究已經(jīng)被《物理評(píng)論快報(bào)》接受并發(fā)表

　　雖然經(jīng)過(guò)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(lái)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(chǎng)論等領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價(jià)值。