量子隐形传输能量从科幻到现实

图一：第一幅图：真空态中无法取出自由能；第二幅图：量子隐形传输能量的概念图；第三幅图：量子隐形传输能量方案示意图。摘自 http://www.tuhep.phys.tohoku.ac.jp/~hotta/extended-version-qet-review.pdf 中的图15和图19，图21。

量子隐形传输能量是日本东北大学堀田正博（Masahiro Hotta）教授2008年提出的一个富有想象力与争议的理论。如上图所示，在现代物理中，真空并不是空无一物的，其中充满了涨落的能量，但我们无法把真空中涨落的能量取出来利用。如果真空中不同区域之间有量子纠缠存在，基于量子隐形传态（quantum teleportation）的思想，消耗能量 E_A 对子系统A进行测量，获得对A处真空涨落的信息，然后把此信息通过经典通信传到B处，我们就可以从子系统B中获得可用能量 E_B。

下面详细解释一下这个过程。初始时，从局域上看，子系统A与B都处于能量最低的“真空”，我们将其定为能量零点，无法对外输出有用的净能量。另一方面，从整体上看A与B之间存在量子纠缠。首先对A实施测量，我们需要对它输入能量E_A。测量结果出来后，假设A的态处于 \alpha ，由于A与B之间的量子纠缠，B将处于某个依赖于\alpha的局域态。通过经典通信把测量结果\alpha告知B之后，就可以再用局域 U(\alpha) 让B系统变换到能量为 -E_B 的状态，与此同时B系统释放出能量E_B，也就是我们从B中取出了净能量E_B。这整个过程看起来就像是对我们对子系统A注入能量E_A，经过量子隐形能量传输，在远方的B系统中取出了E_B的能量，通常E_B小于E_A。

量子隐形传输能量显得很离经叛道，因为要开发利用真空零点能，反倒是科幻小说中类似的概念汗牛充栋，因此论文发表在《物理评论D》（PRD）后并没有太多关注。但堀田正博坚持发展这个想法，2011年他与同事合作提出可以利用量子霍尔效应实现量子隐形传输能量，并幸运地申请到了经费资助。可不幸的是，他们遇到了2011年东日本大地震和随之而来的海啸，他们的实验设施毁于一旦。

2013年，堀田正博应邀去加拿大报告，把这个想法告诉了加拿大滑铁卢大学IQC研究所的Martín-Martínez等人，引起了他们的兴趣。他们很快就发现量子隐形传输能量的想法可以帮助改进量子计算技术。研发量子计算机时，关键技术之一在于量子比特的初始化，但它又会面临真空涨落的限制。利用量子隐形传输能量的思想，2017年他们提出一种初始化量子比特的理论方案。又经过多年的实验技术提升，最近他们终于在核磁共振系统中实验验证了量子隐形传输能量。

在实验中，他们先将两个原子制备到某种能量最低的基态：强局域被动态（strong local passive state），对其中任何一个原子进行任意局域操作都无法取出能量，且原子间有量子纠缠。然后他们对原子A与辅助原子C施加脉冲，打开它们之间的耦合，使辅助原子C 获得原子A的部分信息，并确保此操作不会改变原子B的能量。然后把原子C与原子B之间的耦合打开，这等价于把原子A的信息传递给B。在这一系列操作之后，我们就可以用局域操作从原子B中获得能量了。上述实验步骤只需37毫秒就可以完成，而能量从A传输到B原子所需要的时间需要一秒钟，远长于实验时间。此论文已被《物理评论快报》（PRL）接收。在此实验贴到预印本网站后过了8个月，另外一位学者基于IBM量子云平台，也独立实现了量子隐形传输能量的验证。

虽然经过15年量子隐形传输能量才获得验证，但目前的实验并不让人太满意，从理论角度，它只是某种量子模拟。堀田正博教授正在与人合作，进一步发展基于凝聚态系统的实验方案，基于硅基系统中的边缘电流（其中天然具有量子纠缠）来实现量子隐形传输能量。量子隐形传输能量理论在黑洞物理学、弯曲时空量子场论等领域也有潜在应用价值。

上周末我花了半天时间调研了一下，为返朴微信公众号写了这篇简短的科普介绍。刚刚突发一个脑洞，量子隐形传输能量，也许还可以与现在正火热的量子电池理论结合，或者与量子热机结合，再做些有趣的研究。