物理学者は量子力学を使って無からエネルギーを引き出す

彼らの最新の手品のために、物理学者は、薄い空気からエネルギーを呼び起こすのと同等の量子を行いました。 物理法則や常識に反する偉業です。

「そこには与えるものが何もないので、真空から直接エネルギーを抽出することはできません」と彼は言いました。 ウィリアム・ウンルーブリティッシュ コロンビア大学の理論物理学者であり、標準的な考え方について説明しています。

しかし15年前、 堀田正浩日本の東北大学の理論物理学者である博士は、おそらく真空は実際には何かをあきらめさせることができると提案しました.

当初、多くの研究者はこの研究を無視し、せいぜい真空からエネルギーを引き出すことは信じがたいことだと疑っていました。 しかし、よく見てみると、堀田氏が微妙に異なる量子スタントを示唆していることに気付きました。 エネルギーは無料ではありませんでした。 遠く離れた場所でエネルギーを使って購入した知識を使用してロックを解除する必要がありました。 この観点からすると、堀田の手順は創造というよりも、ある場所から別の場所へのエネルギーのテレポーテーションのように見えました。

「それは本当に驚きでした」と、堀田と協力しているが、エネルギー テレポーテーションの研究には関与していない Unruh は語った。 「彼が発見したのは本当に素晴らしい結果です。」

この XNUMX 年で、研究者は XNUMX つの別々の量子デバイスで微視的な距離を越えてエネルギーをテレポートし、堀田の理論を立証しました。 この研究は、エネルギー テレポーテーションが本物の量子現象であることを疑う余地をほとんど残していません。

「これは本当にそれをテストします」と言いました セスロイド、マサチューセッツ工科大学の量子物理学者で、研究には関与していませんでした。 「あなたは実際にテレポートしています。 あなたはエネルギーを抽出しています。」

量子クレジット

量子エネルギーテレポーテーションに最初に懐疑的だったのは堀田自身だった。

2008 年、彼は、 エンタングルメントXNUMX つ以上のオブジェクトが統一された量子状態を共有しているため、非常に離れていても関連する方法で動作します。 エンタングルメントの決定的な特徴は、一挙にエンタングルメントを作成しなければならないことです。 あるオブジェクトと別のオブジェクトを個別にいじって、関連する動作を操作することはできません。別の場所にいる友人に電話して、自分が何をしたかを伝えたとしてもです。

ブラック ホールを研究しているときに、堀田氏は、量子論における風変わりな現象である負のエネルギーが、エンタングルメントを測定するための鍵である可能性があるのではないかと疑うようになりました。 ブラック ホールは、その内部に絡み合った放射を放出することによって縮小します。これは、ブラック ホールが少量の負のエネルギーを飲み込むプロセスと見なすこともできます。 堀田は、負のエネルギーともつれが密接に関連しているように見えることに注目しました。 彼の主張を強化するために、彼はもつれのような負のエネルギーは、異なる場所での独立した行動によっては作成できないことを証明しようと試みました.

堀田氏は驚いたことに、単純な一連の出来事が実際に量子真空を負にすることができることを発見した。 「最初は自分が間違っていると思いました」と彼は言いました。 しかし、私は欠陥を見つけることができませんでした。」

問題は、量子真空の奇妙な性質から生じます。 何もない特異なタイプ それは危険なほど何かに似ています。 不確実性原理は、量子システムが完全にゼロエネルギーの完全に静かな状態に落ち着くことを禁じています。 その結果、真空でさえ、それを満たす量子場の変動によって常にパチパチ音をたてる必要があります。 これらの終わりのない変動は、すべてのフィールドに、ゼロ点エネルギーとして知られる最小限のエネルギーを吹き込みます。 物理学者は、この最小エネルギーを持つ系は基底状態にあると言います。 基底状態のシステムは、デンバーの路上駐車に少し似ています。 海面より高くても、これ以上下がることはありません。

それでも、堀田さんは地下駐車場を見つけたようだ。 ゲートのロックを解除するには、量子場のパチパチという音に内在するもつれを利用するだけでよいことに彼は気付きました。

一定の場所での真空の変動は完全にランダムであるため、絶え間ない真空の変動を永久機関の動力として使用することはできません。 空想的な量子電池を真空に接続することを想像すると、変動の半分でデバイスが充電され、残りの半分でデバイスが消耗します。

しかし、量子場は絡み合っています。あるスポットの変動は、別のスポットの変動と一致する傾向があります。 2008 年、堀田は XNUMX 人の物理学者、アリスとボブがどのように成功したかを概説した論文を発表しました。 これらの相関関係を利用する ボブを取り巻く基底状態からエネルギーを引き出します。 スキームは次のようになります。

ボブは自分がエネルギーを必要としていることに気付きました — 彼はその空想的な量子電池を充電したいと思っています — しかし、彼がアクセスできるのは空のスペースだけです。 幸いなことに、彼の友人であるアリスは、遠く離れた場所に設備の整った物理実験室を持っています。 アリスは研究室で磁場を測定し、そこにエネルギーを注入して、その変動について学びます。 この実験では、場全体が基底状態からはみ出していますが、ボブが知る限り、彼の真空は最小エネルギー状態のままで、ランダムに変動しています。

しかしその後、アリスはボブに自分の居場所の周りの真空に関する調査結果をテキストで送信し、基本的にいつバッテリーを接続するかをボブに伝えます。 ボブは彼女のメッセージを読んだ後、新たに発見した知識を使用して、アリスが注入した量まで、真空からエネルギーを抽出する実験を準備できます。

「その情報により、ボブは必要に応じて変動のタイミングを計ることができます」と彼は言いました。 エドゥアルド・マルティン・マルティネス、ウォータールー大学とペリメーター研究所の理論物理学者で、新しい実験のXNUMXつに取り組みました。 （彼は、量子場の抽象的な性質のために、タイミングの概念は文字通りよりも比喩的であると付け加えました。）

ボブはアリスが入れた以上のエネルギーを抽出できないので、エネルギーは保存されます。 また、アリスのテキストが届くまでエネルギーを抽出するために必要な知識が不足しているため、光よりも速く移動する効果はありません。 プロトコルは神聖な物理的原則に違反していません。

それにもかかわらず、堀田の出版物はコオロギに出会った。 真空のゼロ点エネルギーを利用する機械は SF の主力であり、彼の手順は物理学者をそのような装置のクラックポットの提案にうんざりさせた。 しかし、堀田は自分が何かに夢中になっていると確信し、続けました。 開発する 彼の考え そしてそれを話し合いで宣伝します。 彼は、別のものを発見したことで有名になったウンルーからさらに励ましを受けました。 奇妙な真空動作.

「この種のことは、私にとってほとんど第二の天性です」とウンルーは言いました。「量子力学で奇妙なことができるということです。」

堀田もそれを試す方法を模索した。 彼は、東北大学の凝縮物質を専門とする実験家である遊佐剛とつながりました。 彼らは実験を提案した 半導体システム 電磁場の状態に類似した絡み合った基底状態を持ちます。

しかし、彼らの研究は、別の種類の変動によって繰り返し遅れてきました。 最初の実験に資金が提供された直後、2011 年 XNUMX 月の東北地方太平洋沖地震と津波は、東北大学を含む日本の東海岸を荒廃させました。 近年、さらなる地震により、精巧な実験装置が XNUMX 度損傷しました。 今日、彼らは再び本質的にゼロから始めています。

ジャンプする

やがて、堀田の考えは地球上で地震の少ない地域にも根を下ろした。 Unruh の提案で、Hotta は 2013 年にカナダのバンフで開催された会議で講演を行いました。 この講演は、Martín-Martínez の想像力をかき立てました。 「彼の頭脳は、他の人とは違った働きをしています」とマルティン・マルティネスは言いました。 「彼は非常にクリエイティブな独創的なアイデアをたくさん持っている人です。」

半ば真面目に「時空間エンジニア」と自称するマルティン＝マルティネスは、長い間、サイエンス フィクションの端にある物理学に惹かれていると感じていました。 彼は、ワームホール、ワープ ドライブ、タイム マシンを作成する物理的に妥当な方法を見つけることを夢見ています。 これらのエキゾチックな現象のそれぞれは、一般相対性理論の非常に順応した方程式によって許容される時空の奇妙な形になります。 しかし、それらはいわゆるエネルギー条件によっても禁止されています。これは、有名な物理学者であるロジャー ペンローズとスティーブン ホーキングが、一般相対性理論がそのワイルドな側面を示すのを止めるために、一般相対性理論の上に平手打ちしたいくつかの制限です。

Hawking-Penrose の戒めの主なものは、負のエネルギー密度を禁止することです。 しかし、堀田のプレゼンテーションを聞いている間、Martín-Martínez は、基底状態より下に潜ると少し臭いがすることに気付きました。 エネルギーをマイナスにする. コンセプトはファンにとってはキャットニップでした Star Trek 堀田の仕事にのめり込む。

彼はすぐに、エネルギー テレポーテーションが量子情報で同僚が直面している問題の解決に役立つ可能性があることに気付きました。 レイモンド・ラフラム、ウォータールーの物理学者、そして ナイエリ・ロドリゲス・ブリオネス、当時のラフラムの教え子。 このペアには、より現実的な目標がありました。それは、量子コンピューターの構成要素であるキュービットを可能な限り低温にすることです。 コールド キュービットは信頼できるキュービットですが、グループは理論上の限界に達していました。それを超えると、それ以上熱を引き出すことは不可能と思われました。ボブが真空に直面し、そこからエネルギーを抽出することは不可能と思われたのと同じです。

Laflamme のグループへの最初の売り込みで、Martín-Martínez は多くの懐疑的な質問に直面しました。 しかし、彼が彼らの疑問に対処するにつれて、彼らはより受け入れやすくなりました。 彼らは量子エネルギー テレポーテーションの研究を開始し、2017 年に 方法を提案した キュービットからエネルギーを逃がして、他の既知の手順よりも低温のままにするためです。 それでも、「それはすべて理論でした」とMartín-Martínezは言いました。 「実験はありませんでした。」

Martín-Martínez と Rodríguez-Briones は Laflamme と実験家と共に、 ヘマント・カティヤー、それを変更するために着手しました。

彼らは、核磁気共鳴として知られる技術に目を向けました。これは、強力な磁場と電波パルスを使用して、大きな分子内の原子の量子状態を操作します。 グループは実験の計画に数年を費やし、その後、パンデミックの真っ只中の数か月にわたって、カティヤーはアリスとボブの役割を果たすXNUMXつの炭素原子の間でエネルギーをテレポートするように手配しました.

まず、細かく調整された一連の電波パルスが、炭素原子を特定の最小エネルギー基底状態にし、XNUMX つの原子間のもつれを特徴とします。 システムのゼロ点エネルギーは、アリス、ボブ、およびそれらの間のエンタングルメントの初期結合エネルギーによって定義されました。

次に、アリスと XNUMX 番目の原子に XNUMX つの無線パルスを発射し、同時にアリスの位置を測定し、情報を原子の「テキスト メッセージ」に転送しました。

最後に、ボブと中間原子の両方に向けられた別のパルスが同時にメッセージをボブに送信し、そこで測定を行い、エネルギーごまかしを完了しました。

彼らはこのプロセスを何度も繰り返し、手順全体を通して 37 つの原子の量子特性を再構築できるように、各ステップで多くの測定を行いました。 最終的に彼らは、ボブ炭素原子のエネルギーが平均して減少し、そのエネルギーが抽出されて環境に放出されたと計算しました。 これは、ボブ原子が常に基底状態から始まるという事実にもかかわらず発生しました。 プロトコルの開始から終了まで、わずか 20 ミリ秒しかかかりませんでした。 しかし、エネルギーが分子の一方の側からもう一方の側に移動するには、通常は XNUMX 倍以上、つまり XNUMX 秒近くかかります。 アリスが消費したエネルギーにより、ボブは他の方法ではアクセスできないエネルギーを解き放つことができました。

「現在の技術でエネルギーの活性化を観察できることを確認できたことは非常に素晴らしいことでした」と、現在カリフォルニア大学バークレー校にいるロドリゲス・ブリオネスは述べています。

彼らは、 最初のデモンストレーション 彼らが2022年XNUMX月に投稿したプレプリントでの量子エネルギーテレポーテーションの。 この研究はその後、 Physical Review Lettersに.

10 回目のデモは XNUMX か月後に続きます。

クリスマスの数日前、 池田一樹ストーニーブルック大学の量子計算研究者である は、ワイヤレス エネルギー転送に言及している YouTube ビデオを見ていました。 彼は、同様のことが量子力学的にできるのではないかと考えました。 その後、彼は堀田氏の研究を思い出し、堀田氏は東北大学の学部生時代に教授の XNUMX 人でした。そして、IBM の量子コンピューティング プラットフォームで量子エネルギー テレポーテーション プロトコルを実行できることに気付きました。

次の数日で、彼はまさにそのようなプログラムを作成し、リモートで実行しました。 実験では、ボブ量子ビットが基底状態のエネルギーを下回ったことが確認されました。 7月XNUMX日までに、彼は 彼の結果を投稿しました プレプリントで。

堀田が最初にエネルギー テレポーテーションを記述してから約 15 年後、XNUMX 年も経たない XNUMX つの簡単なデモンストレーションで、それが可能であることが証明されました。

「実験論文はうまくできています」とロイドは言いました。 「誰もそれを早くしなかったことにちょっと驚いた」

SFの夢

それでも、堀田さんはまだ完全に満足していません。

彼は実験を重要な最初のステップとして称賛しています。 しかし彼は、絡み合った振る舞いが基底状態にプログラムされているという意味で、それらを量子シミュレーションと見なしている.無線パルスまたはIBMのデバイスの量子操作のいずれかを介して. 彼の野心は、宇宙に浸透する基本的な量子場と同じように、基底状態がもつれを自然に特徴とする系からゼロ点エネルギーを収穫することです。

そのために遊佐と独自の実験を進めている。 今後数年間で、彼らは本質的に絡み合った基底状態を持つエッジ電流を特徴とするシリコン表面での量子エネルギーテレポーテーションを実証したいと考えています。

その間、各物理学者は、エネルギー テレポーテーションが何に役立つかについて独自のビジョンを持っています。 Rodríguez-Briones は、量子コンピューターの安定化に役立つだけでなく、量子システムにおける熱、エネルギー、エンタングルメントの研究において重要な役割を果たし続けるのではないかと考えています。 XNUMX月下旬、池田 別の論文を投稿した エネルギーテレポーテーションを新生に組み込む方法を詳述した 量子インターネット.

Martín-Martínez は SF の夢を追い続けています。 彼はとチームを組んだ エリック・シュネッターPerimeter Institute の一般相対性理論シミュレーションの専門家である .

一部の研究者は、彼の探求が興味深いと感じています。 「称賛に値する目標だ」とロイドは笑いながら言った。 「ある意味で、これを追跡調査しないのは科学的に無責任です。 負のエネルギー密度は非常に重要な結果をもたらします。」

他の人々は、負のエネルギーからエキゾチックな形の時空への道は曲がりくねっており、不確実であると警告しています. 「量子相関に対する私たちの直感はまだ開発中です」と Unruh 氏は述べています。 「ひとたび計算ができるようになると、その実際の状況に常に驚かされます。」

堀田氏は、時空を彫刻することについて考えるのにあまり時間をかけません。 今のところ、彼は 2008 年からの量子相関計算が正真正銘の物理現象を確立したことを喜んでいます。

「これは本当の物理学です。SF ではありません」と彼は言いました。