Фізики використовують квантову механіку, щоб отримати енергію з нічого

Для свого останнього магічного трюку фізики створили квантовий еквівалент отримання енергії з повітря. Це подвиг, який, здається, суперечить фізичним законам і здоровому глузду.

«Ви не можете витягти енергію безпосередньо з вакууму, тому що там нема чого віддавати», — сказав Вільям Унру, фізик-теоретик з Університету Британської Колумбії, описуючи стандартний спосіб мислення.

Але 15 років тому, Масахіро Хотта, фізик-теоретик з Університету Тохоку в Японії, припустив, що, можливо, вакуум насправді можна було б змусити відмовитися від чогось.

Спочатку багато дослідників ігнорували цю роботу, підозрюючи, що отримання енергії з вакууму було в кращому випадку неправдоподібним. Однак ті, хто придивився ближче, зрозуміли, що Хотта пропонував дещо інший квантовий трюк. Енергія не була безкоштовною; його потрібно було розблокувати за допомогою знань, придбаних за енергію у віддаленому місці. З цієї точки зору процедура Хотти виглядала не так як створення, а більше як телепортація енергії з одного місця в інше — дивна, але менш образлива ідея.

«Це був справжній сюрприз», — сказав Унру, який співпрацював з Хоттою, але не брав участі в дослідженнях телепортації енергії. «Це дійсно чудовий результат, який він виявив».

Минулого року дослідники телепортували енергію на мікроскопічні відстані у двох окремих квантових пристроях, підтверджуючи теорію Хотти. Дослідження не залишає сумнівів у тому, що телепортація енергії є справжнім квантовим явищем.

"Це справді перевіряє", - сказав Сет Ллойд, квантовий фізик з Массачусетського технологічного інституту, який не брав участі в дослідженні. «Ви насправді телепортуєтесь. Ви добуваєте енергію».

Скільки кредиту

Першим скептиком квантової телепортації енергії був сам Хотта.

У 2008 році він шукав спосіб вимірювання сили своєрідного квантово-механічного зв’язку, відомого як заплутаність, де два або більше об’єктів поділяють єдиний квантовий стан, який змушує їх поводитися однаково, навіть якщо вони розділені величезними відстанями. Визначальною особливістю заплутування є те, що ви повинні створити його одним махом. Ви не можете спроектувати пов’язану поведінку, возячись з одним і іншим об’єктом незалежно, навіть якщо ви зателефонуєте другові в іншому місці та розкажете йому, що ви зробили.

Вивчаючи чорні діри, Хотта прийшов до підозри, що екзотичне явище в квантовій теорії — негативна енергія — може бути ключем до вимірювання заплутаності. Чорні діри зменшуються, випромінюючи випромінювання, сплутане з їх внутрішньою частиною, процес, який також можна розглядати як чорну діру, яка поглинає порції негативної енергії. Хотта зазначив, що негативна енергія та заплутаність, здається, тісно пов’язані. Щоб зміцнити свою точку зору, він вирішив довести, що негативна енергія, як-от заплутаність, не може бути створена незалежними діями в різних місцях.

Хотта, на свій подив, виявив, що проста послідовність подій може фактично змусити квантовий вакуум стати негативним — втрачаючи енергію, якої він, здається, не мав. «Спочатку я подумав, що помилився, — сказав він, — тому я ще раз порахував і перевірив свою логіку. Але я не міг знайти жодного недоліку».

Проблема виникає через химерну природу квантового вакууму, який є a своєрідний тип нічого що небезпечно наближається до схожості на щось. Принцип невизначеності забороняє будь-якій квантовій системі перейти в абсолютно спокійний стан із рівно нульовою енергією. У результаті навіть вакуум повинен завжди тріщати від флуктуацій у квантових полях, які його заповнюють. Ці нескінченні коливання наповнюють кожне поле певною мінімальною кількістю енергії, відомою як енергія нульової точки. Фізики кажуть, що система з такою мінімальною енергією знаходиться в основному стані. Система в базовому стані трохи схожа на автомобіль, припаркований на вулицях Денвера. Хоча він значно вище рівня моря, він не може опуститися нижче.

І все ж Хотта ніби знайшов підземний гараж. Він зрозумів, що для того, щоб розблокувати ворота, йому потрібно лише використати внутрішню заплутаність у тріскоті квантового поля.

Безперервні флуктуації вакууму не можуть бути використані для живлення вічного двигуна, скажімо, тому що флуктуації в даному місці абсолютно випадкові. Якщо ви уявите, що під’єднуєте химерну квантову батарею до вакууму, половина коливань буде заряджати пристрій, а інша половина розряджатиме його.

Але квантові поля заплутані — флуктуації в одній точці мають тенденцію збігатися з флуктуаціями в іншій точці. У 2008 році Хотта опублікував статтю, в якій описував, як двоє фізиків, Аліса і Боб, можуть використовувати ці кореляції щоб отримати енергію з основного стану, що оточує Боба. Схема приблизно така.

Боб відчуває потребу в енергії — він хоче зарядити цю химерну квантову батарею, — але все, до чого він має доступ, — це порожній простір. На щастя, його друг Аліса має повністю обладнану фізичну лабораторію у віддаленому місці. Аліса вимірює поле у ​​своїй лабораторії, вводячи в нього енергію та дізнаючись про його коливання. Цей експеримент виводить загальне поле з основного стану, але, наскільки може судити Боб, його вакуум залишається в стані мінімальної енергії, випадково коливаючись.

Але потім Аліса надсилає Бобу повідомлення про свої висновки про вакуум навколо її місця, по суті кажучи Бобу, коли підключати акумулятор. Після того, як Боб прочитає її повідомлення, він може використати нові знання, щоб підготувати експеримент, який витягає енергію з вакууму — до кількості, яку вводить Аліса.

«Ця інформація дозволяє Бобу, якщо ви хочете, визначити час коливань», — сказав Едуардо Мартін-Мартінес, фізик-теоретик з Університету Ватерлоо та Інституту Периметра, який працював над одним із нових експериментів. (Він додав, що поняття часу є більш метафоричним, ніж буквальним, через абстрактну природу квантових полів.)

Боб не може отримати більше енергії, ніж витратила Аліса, тому енергія зберігається. І йому не вистачає необхідних знань, щоб отримати енергію, поки не прийде текст Аліси, тому жоден ефект не поширюється швидше за світло. Протокол не порушує жодних священних фізичних принципів.

Тим не менш, публікація Хотта була зустрінута цвіркунами. Машини, які використовують нульову енергію вакууму, є основою наукової фантастики, і його методика розлютила фізиків, які втомилися від висування безумних пропозицій щодо таких пристроїв. Але Хотта відчував, що він щось натрапив, і продовжував розвивати його ідея і просувати це в переговорах. Він отримав подальше підбадьорення від Унру, який став відомим відкриттям іншого дивна поведінка вакууму.

«Такі речі для мене є майже другою натурою, — сказав Унру, — що з квантовою механікою можна робити дивні речі».

Хотта також шукав спосіб перевірити це. Він зв’язався з Го Юсою, експериментатором, який спеціалізується на конденсованих речовинах з Університету Тохоку. Вони запропонували експеримент у a напівпровідникова система із заплутаним основним станом, аналогічним електромагнітному полю.

Але їхні дослідження неодноразово відкладалися через різного роду коливання. Незабаром після того, як їхній початковий експеримент було профінансовано, землетрус і цунамі в Тохоку в березні 2011 року спустошили східне узбережжя Японії, включаючи Університет Тохоку. За останні роки подальші поштовхи двічі пошкодили делікатне лабораторне обладнання. Сьогодні вони знову починають практично з нуля.

Здійснення стрибка

Згодом ідеї Хотти прижилися й у менш сейсмонебезпечній частині земної кулі. За пропозицією Унру Хотта прочитав лекцію на конференції 2013 року в Банфі, Канада. Розмова захопила уяву Мартіна-Мартінеса. «Його розум працює не так, як у всіх інших», — сказав Мартін-Мартінес. «Він людина, яка має багато нестандартних ідей, які є надзвичайно креативними».

Мартін-Мартінес, який напівсерйозно називає себе «інженером простору-часу», давно відчував потяг до фізики на краю наукової фантастики. Він мріє знайти фізично правдоподібні способи створення червоточин, варп-приводів і машин часу. Кожне з цих екзотичних явищ становить химерну форму простору-часу, яка допускається надзвичайно зручними рівняннями загальної теорії відносності. Але вони також заборонені так званими енергетичними умовами, декількома обмеженнями, які відомі фізики Роджер Пенроуз і Стівен Гокінг наклали на поверхню загальної теорії відносності, щоб не дати теорії показати свою дику сторону.

Головна серед заповідей Гокінга-Пенроуза полягає в тому, що щільність негативної енергії заборонена. Але, слухаючи презентацію Хотти, Мартін-Мартінез зрозумів, що занурення нижче основного стану трохи пахне робить енергію негативною. Концепція була котячою м’ятою для шанувальників Star Trek технологій, і він занурився в роботу Хотти.

Невдовзі він зрозумів, що енергетична телепортація може допомогти вирішити проблему, з якою зіткнулися деякі з його колег із квантової інформації, зокрема Раймонд Лафламм, фізик у Ватерлоо, і Наєлі Родрігес-Бріонес, тодішній учень Лафламма. У пари була більш приземлена мета: взяти кубіти, будівельні блоки квантових комп’ютерів, і зробити їх якомога холоднішими. Холодні кубіти є надійними кубітами, але група зіткнулася з теоретичною межею, за якою здавалося неможливим відводити більше тепла — подібно до того, як Боб зіткнувся з вакуумом, з якого вилучення енергії здавалося неможливим.

У своєму першому зверненні до групи Лафламма Мартін-Мартінез зіткнувся з багатьма скептичними запитаннями. Але коли він відповів на їхні сумніви, вони стали сприйнятливішими. Вони почали вивчати квантову телепортацію енергії, і в 2017 році вони запропонував метод для відведення енергії від кубітів, щоб зробити їх холоднішими, ніж будь-яка інша відома процедура. Незважаючи на це, «це все була теорія», — сказав Мартін-Мартінес. «Експерименту не було».

Мартін-Мартінес і Родрігес-Бріонес разом з Лафламмом і експериментатором, Гемант Катіяр, вирішили це змінити.

Вони звернулися до технології, відомої як ядерний магнітний резонанс, яка використовує потужні магнітні поля та радіоімпульси для маніпулювання квантовими станами атомів у великій молекулі. Група витратила кілька років на планування експерименту, а потім протягом кількох місяців у розпал пандемії Катіяр організував телепортацію енергії між двома атомами вуглецю, які грали роль Аліси та Боба.

По-перше, тонко налаштована серія радіоімпульсів переводить атоми вуглецю в певний основний стан з мінімальною енергією, що характеризується заплутаністю між двома атомами. Енергія нульової точки для системи була визначена початковою спільною енергією Аліси, Боба та зв’язку між ними.

Далі вони випустили один радіоімпульс на Алісу та третій атом, одночасно вимірявши положення Аліси та передавши інформацію в атомарне «текстове повідомлення».

Нарешті, ще один імпульс, спрямований як на Боба, так і на проміжний атом, одночасно передав повідомлення Бобу та виконав там вимірювання, завершивши енергетичну хитрість.

Вони повторювали процес багато разів, роблячи багато вимірювань на кожному кроці таким чином, що дозволяло їм реконструювати квантові властивості трьох атомів протягом всієї процедури. Зрештою вони підрахували, що енергія атома вуглецю Боба в середньому зменшилася, і таким чином ця енергія була вилучена та випущена в навколишнє середовище. Це сталося незважаючи на те, що атом Боба завжди починався в основному стані. Від початку до кінця протокол зайняв не більше 37 мілісекунд. Але для того, щоб енергія пройшла від однієї сторони молекули до іншої, зазвичай потрібно було б у 20 разів довше — майже ціла секунда. Енергія, витрачена Алісою, дозволила Бобу відкрити недоступну енергію.

«Було дуже чудово бачити, що за допомогою сучасних технологій можна спостерігати активацію енергії», — сказав Родрігес-Бріонес, який зараз працює в Каліфорнійському університеті в Берклі.

Вони описали перша демонстрація про квантову телепортацію енергії в препринті, який вони опублікували в березні 2022 року; дослідження було прийнято для публікації в Physical Review Letters,.

Друга демонстрація відбудеться через 10 місяців.

За кілька днів до Різдва, Казукі Ікеда, дослідник квантових обчислень з Університету Стоні Брук, дивився відео на YouTube, у якому згадувалося про бездротову передачу енергії. Він цікавився, чи можна зробити щось подібне квантово-механічним шляхом. Тоді він згадав роботу Хотти — Хотта був одним із його професорів, коли він був студентом Університету Тохоку — і зрозумів, що може запустити протокол телепортації квантової енергії на платформі квантових обчислень IBM.

Протягом наступних кількох днів він написав і віддалено виконав саме таку програму. Експерименти підтвердили, що кубіт Боба впав нижче основного стану. До 7 січня він мав опублікував свої результати у препринті.

Майже через 15 років після того, як Хотта вперше описав енергетичну телепортацію, дві прості демонстрації менш ніж через рік довели, що це можливо.

«Експериментальні статті зроблені чудово», — сказав Ллойд. «Я був трохи здивований, що ніхто не зробив це раніше».

Науково-фантастичні мрії

І все ж Хотта ще не повністю задоволений.

Він хвалить експерименти як важливий перший крок. Але він розглядає їх як квантове моделювання в тому сенсі, що заплутана поведінка запрограмована в основний стан — або через радіоімпульси, або через квантові операції в пристроях IBM. Його амбіція полягає в тому, щоб зібрати енергію нульової точки із системи, основний стан якої природним чином характеризується заплутаністю так само, як це роблять фундаментальні квантові поля, які пронизують Всесвіт.

З цією метою він і Юса продовжують свій оригінальний експеримент. У найближчі роки вони сподіваються продемонструвати квантову телепортацію енергії на кремнієвій поверхні, яка має крайові струми з внутрішньо заплутаним основним станом — система з поведінкою, ближчою до поведінки електромагнітного поля.

Тим часом кожен фізик має власне бачення того, чим може бути корисна телепортація енергії. Родрігес-Бріонес підозрює, що окрім допомоги у стабілізації квантових комп’ютерів, він продовжить відігравати важливу роль у вивченні тепла, енергії та заплутаності в квантових системах. Наприкінці січня Ікеда опублікував інший документ де описано, як побудувати енергетичну телепортацію в зароджується квантовий Інтернет.

Мартін-Мартінес продовжує втілювати свої науково-фантастичні мрії. Він об'єднався з Ерік Шнеттер, експерт із моделювання загальної теорії відносності в Інституті Периметра, щоб точно розрахувати, як простір-час відреагує на певні розташування негативної енергії.

Деякі дослідники вважають його пошуки інтригуючими. «Це похвальний гол», - сказав Ллойд, усміхнувшись. «У певному сенсі було б науково безвідповідальним не продовжити це. Щільність негативної енергії має дуже важливі наслідки».

Інші застерігають, що шлях від негативних енергій до екзотичних форм простору-часу звивистий і непевний. «Наша інтуїція щодо квантових кореляцій все ще розвивається», — сказав Унру. «Людина постійно дивується тому, що насправді відбувається, коли ви можете зробити обчислення».

Хотта, зі свого боку, не витрачає надто багато часу на роздуми про ліплення простору-часу. Наразі він відчуває задоволення, що його розрахунок квантової кореляції з 2008 року встановив справжнє фізичне явище.

«Це справжня фізика, — сказав він, — а не наукова фантастика».