Các nhà vật lý sử dụng cơ học lượng tử để lấy năng lượng từ hư không

Đối với trò ảo thuật mới nhất của họ, các nhà vật lý đã thực hiện lượng tử tương đương với việc tạo ra năng lượng từ không khí mỏng. Đó là một kỳ tích dường như bất chấp quy luật vật lý và lẽ thường.

“Bạn không thể trích xuất năng lượng trực tiếp từ chân không vì không có gì ở đó để cung cấp,” nói William Unruh, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học British Columbia, mô tả cách suy nghĩ tiêu chuẩn.

Nhưng 15 năm trước, Masahiro Hotta, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Tohoku ở Nhật Bản, đề xuất rằng có lẽ trên thực tế, chân không có thể bị dụ dỗ để từ bỏ một thứ gì đó.

Lúc đầu, nhiều nhà nghiên cứu đã bỏ qua công việc này, nghi ngờ rằng việc lấy năng lượng từ chân không là điều không thể tin được. Tuy nhiên, những người xem xét kỹ hơn nhận ra rằng Hotta đang đề xuất một pha nguy hiểm lượng tử khác biệt một cách tinh vi. Năng lượng không miễn phí; nó phải được mở khóa bằng kiến ​​thức được mua bằng năng lượng ở một địa điểm xa. Từ quan điểm này, quy trình của Hotta trông không giống sự sáng tạo mà giống sự dịch chuyển năng lượng từ nơi này sang nơi khác hơn - một ý tưởng kỳ lạ nhưng ít phản cảm hơn.

Unruh, người đã hợp tác với Hotta nhưng không tham gia vào nghiên cứu dịch chuyển năng lượng, cho biết: “Đó thực sự là một bất ngờ. “Đó là một kết quả thực sự gọn gàng mà anh ấy đã khám phá ra.”

Trong năm qua, các nhà nghiên cứu đã dịch chuyển năng lượng qua những khoảng cách siêu nhỏ trong hai thiết bị lượng tử riêng biệt, chứng minh lý thuyết của Hotta. Nghiên cứu không còn chỗ để nghi ngờ rằng dịch chuyển năng lượng là một hiện tượng lượng tử thực sự.

“Điều này thực sự kiểm tra nó,” nói Seth Lloyd, một nhà vật lý lượng tử tại Viện Công nghệ Massachusetts, người không tham gia nghiên cứu. “Bạn đang thực sự dịch chuyển tức thời. Bạn đang khai thác năng lượng.”

Bao nhiêu tín dụng

Người hoài nghi đầu tiên về dịch chuyển tức thời năng lượng lượng tử chính là Hotta.

Năm 2008, ông đang tìm cách đo độ bền của một liên kết cơ học lượng tử đặc biệt được gọi là sự vướng víu, trong đó hai hoặc nhiều đối tượng chia sẻ một trạng thái lượng tử thống nhất khiến chúng hành xử theo những cách liên quan ngay cả khi cách nhau rất xa. Một tính năng xác định của sự vướng víu là bạn phải tạo ra nó trong một cú trượt ngã. Bạn không thể thiết kế hành vi liên quan bằng cách loay hoay với đối tượng này và đối tượng kia một cách độc lập, ngay cả khi bạn gọi cho một người bạn ở địa điểm khác và nói cho họ biết bạn đã làm gì.

Trong khi nghiên cứu lỗ đen, Hotta bắt đầu nghi ngờ rằng một hiện tượng kỳ lạ trong lý thuyết lượng tử - năng lượng âm - có thể là chìa khóa để đo sự vướng víu. Các lỗ đen co lại bằng cách phát ra bức xạ vướng vào phần bên trong của chúng, một quá trình cũng có thể được coi là lỗ đen nuốt chửng những khối năng lượng âm. Hotta lưu ý rằng năng lượng tiêu cực và sự vướng víu dường như có liên quan mật thiết với nhau. Để củng cố lập luận của mình, anh ấy bắt đầu chứng minh rằng năng lượng tiêu cực — như sự vướng víu — không thể được tạo ra thông qua các hành động độc lập tại các vị trí riêng biệt.

Hotta ngạc nhiên phát hiện ra rằng trên thực tế, một chuỗi sự kiện đơn giản có thể khiến chân không lượng tử trở nên âm — giải phóng năng lượng mà nó dường như không có. “Đầu tiên tôi nghĩ rằng mình đã sai,” anh ấy nói, “vì vậy tôi đã tính toán lại và kiểm tra logic của mình. Nhưng tôi không thể tìm thấy bất kỳ sai sót nào.”

Rắc rối phát sinh từ bản chất kỳ lạ của chân không lượng tử, đó là một loại đặc biệt của không có gì điều đó đến gần một cách nguy hiểm để giống với một cái gì đó. Nguyên lý bất định cấm bất kỳ hệ lượng tử nào chuyển sang trạng thái hoàn toàn yên tĩnh với năng lượng chính xác bằng không. Kết quả là, ngay cả chân không cũng phải luôn kêu răng rắc với những dao động trong các trường lượng tử lấp đầy nó. Những dao động không ngừng này thấm nhuần mọi trường với một lượng năng lượng tối thiểu, được gọi là năng lượng điểm không. Các nhà vật lý nói rằng một hệ thống có năng lượng tối thiểu này đang ở trạng thái cơ bản. Một hệ thống ở trạng thái cơ bản giống như một chiếc ô tô đậu trên đường phố Denver. Mặc dù nó cao hơn mực nước biển, nhưng nó không thể thấp hơn nữa.

Chưa hết, Hotta dường như đã tìm thấy một nhà để xe dưới lòng đất. Anh nhận ra rằng để mở khóa cánh cổng, anh chỉ cần khai thác một vướng víu nội tại trong tiếng răng rắc của trường lượng tử.

Chẳng hạn, các dao động chân không không ngừng không thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu, bởi vì các dao động tại một vị trí nhất định là hoàn toàn ngẫu nhiên. Nếu bạn tưởng tượng việc gắn một cục pin lượng tử huyền ảo vào chân không, thì một nửa dao động sẽ sạc thiết bị trong khi nửa còn lại sẽ làm cạn kiệt thiết bị.

Nhưng các trường lượng tử bị vướng víu — những dao động ở một điểm có xu hướng khớp với những dao động ở một điểm khác. Năm 2008, Hotta đã xuất bản một bài báo phác thảo cách hai nhà vật lý, Alice và Bob, có thể khai thác những mối tương quan này để kéo năng lượng ra khỏi trạng thái cơ bản xung quanh Bob. Đề án đi một cái gì đó như thế này.

Bob thấy mình cần năng lượng — anh ấy muốn sạc pin lượng tử huyền ảo đó — nhưng tất cả những gì anh ấy có được là không gian trống rỗng. May mắn thay, bạn của anh ấy là Alice có một phòng thí nghiệm vật lý được trang bị đầy đủ ở một địa điểm rất xa. Alice đo trường trong phòng thí nghiệm của mình, đưa năng lượng vào đó và tìm hiểu về các dao động của nó. Thí nghiệm này đẩy trường tổng thể ra khỏi trạng thái cơ bản, nhưng theo như Bob có thể nói, chân không của anh ta vẫn ở trạng thái năng lượng tối thiểu, dao động ngẫu nhiên.

Nhưng sau đó, Alice nhắn tin cho Bob những phát hiện của cô ấy về khoảng trống xung quanh vị trí của cô ấy, về cơ bản là nói cho Bob biết khi nào nên cắm pin của anh ấy. Sau khi Bob đọc tin nhắn của cô ấy, anh ấy có thể sử dụng kiến ​​thức mới tìm được để chuẩn bị một thí nghiệm lấy năng lượng từ chân không — tối đa bằng lượng do Alice đưa vào.

“Thông tin đó cho phép Bob, nếu bạn muốn, tính thời gian dao động,” nói Eduardo Martín-Martínez, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Waterloo và Viện Perimeter, người đã thực hiện một trong những thí nghiệm mới. (Ông nói thêm rằng khái niệm thời gian mang tính ẩn dụ hơn là nghĩa đen, do tính chất trừu tượng của trường lượng tử.)

Bob không thể lấy nhiều năng lượng hơn Alice đưa vào, vì vậy năng lượng được bảo toàn. Và anh ta thiếu kiến ​​thức cần thiết để trích xuất năng lượng cho đến khi văn bản của Alice đến, vì vậy không có hiệu ứng nào di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Giao thức không vi phạm bất kỳ nguyên tắc vật lý thiêng liêng nào.

Tuy nhiên, ấn phẩm của Hotta đã gặp phải sự phản đối của lũ dế. Những cỗ máy khai thác năng lượng điểm không của chân không là trụ cột của khoa học viễn tưởng, và quy trình của ông đã khiến các nhà vật lý mệt mỏi với việc đưa ra những đề xuất lập dị cho những thiết bị như vậy. Nhưng Hotta cảm thấy chắc chắn rằng anh ấy đang làm gì đó, và anh ấy tiếp tục phát triển ý tưởng của anh ấy và thúc đẩy nó trong các cuộc đàm phán. Anh ấy đã nhận được thêm sự khuyến khích từ Unruh, người đã trở nên nổi tiếng vì đã khám phá ra một hành vi chân không kỳ lạ.

“Loại công cụ này gần như là bản chất thứ hai đối với tôi,” Unruh nói, “rằng bạn có thể làm những điều kỳ lạ với cơ học lượng tử.”

Hotta cũng tìm cách kiểm tra nó. Anh kết nối với Go Yusa, một nhà thực nghiệm chuyên về vật chất ngưng tụ tại Đại học Tohoku. Họ đề xuất một thí nghiệm trong một hệ thống bán dẫn với trạng thái cơ bản vướng víu tương tự như trạng thái của trường điện từ.

Nhưng nghiên cứu của họ đã nhiều lần bị trì hoãn bởi một loại dao động khác. Ngay sau khi thử nghiệm ban đầu của họ được tài trợ, trận động đất và sóng thần Tohoku tháng 2011 năm XNUMX đã tàn phá bờ biển phía đông Nhật Bản — bao gồm cả Đại học Tohoku. Trong những năm gần đây, những chấn động tiếp theo đã làm hỏng thiết bị phòng thí nghiệm mỏng manh của họ hai lần. Ngày nay, họ một lần nữa bắt đầu về cơ bản từ đầu.

thực hiện bước nhảy

Theo thời gian, những ý tưởng của Hotta cũng bén rễ ở một khu vực ít xảy ra động đất hơn trên toàn cầu. Theo gợi ý của Unruh, Hotta đã thuyết trình tại một hội nghị năm 2013 ở Banff, Canada. Bài nói chuyện thu hút trí tưởng tượng của Martín-Martínez. Martín-Martínez nói: “Trí óc của anh ấy hoạt động khác với những người khác. “Anh ấy là một người có rất nhiều ý tưởng vượt trội và cực kỳ sáng tạo.”

Martín-Martínez, người nửa nghiêm túc tự phong mình là “kỹ sư không-thời gian”, từ lâu đã cảm thấy bị thu hút bởi vật lý ở rìa của khoa học viễn tưởng. Anh ấy mơ ước tìm ra những cách hợp lý về mặt vật lý để tạo ra lỗ sâu đục, ổ đĩa dọc và cỗ máy thời gian. Mỗi hiện tượng kỳ lạ này đều có hình dạng kỳ lạ của không-thời gian được cho phép bởi các phương trình cực kỳ phù hợp của thuyết tương đối rộng. Nhưng chúng cũng bị cấm bởi cái gọi là điều kiện năng lượng, một số hạn chế mà các nhà vật lý nổi tiếng Roger Penrose và Stephen Hawking đã áp đặt lên thuyết tương đối rộng để ngăn lý thuyết này bộc lộ khía cạnh hoang dã của nó.

Đứng đầu trong số các điều răn của Hawking-Penrose là mật độ năng lượng tiêu cực bị cấm. Nhưng khi nghe Hotta trình bày, Martín-Martínez nhận ra rằng việc ngâm mình dưới trạng thái cơ bản có mùi hơi giống làm cho năng lượng tiêu cực. Khái niệm này là catnip cho một người hâm mộ của Star Trek công nghệ, và anh lao vào công việc của Hotta.

Anh ấy sớm nhận ra rằng dịch chuyển năng lượng có thể giúp giải quyết vấn đề mà một số đồng nghiệp của anh ấy gặp phải trong lĩnh vực thông tin lượng tử, bao gồm cả Raymond Laflamme, một nhà vật lý tại Waterloo, và Nayeli Rodríguez-Briones, học trò của Laflamme lúc bấy giờ. Cặp đôi này có một mục tiêu thực tế hơn: lấy qubit, khối xây dựng của máy tính lượng tử và làm cho chúng càng lạnh càng tốt. Qubit lạnh là qubit đáng tin cậy, nhưng nhóm đã đạt đến giới hạn lý thuyết mà vượt quá giới hạn đó dường như không thể rút thêm nhiệt nữa — giống như Bob đối mặt với chân không mà từ đó dường như không thể khai thác năng lượng.

Trong lần chào sân đầu tiên với nhóm của Laflamme, Martín-Martínez phải đối mặt với rất nhiều câu hỏi hoài nghi. Nhưng khi anh ấy giải quyết những nghi ngờ của họ, họ trở nên dễ tiếp thu hơn. Họ bắt đầu nghiên cứu dịch chuyển năng lượng lượng tử, và vào năm 2017, họ đề xuất một phương pháp để giải phóng năng lượng từ các qubit để khiến chúng lạnh hơn bất kỳ quy trình đã biết nào khác có thể tạo ra chúng. Mặc dù vậy, “tất cả chỉ là lý thuyết,” Martín-Martínez nói. “Không có thử nghiệm.”

Martín-Martínez và Rodríguez-Briones, cùng với Laflamme và một nhà thực nghiệm, Hemant Katiyar, đặt ra để thay đổi điều đó.

Họ chuyển sang một công nghệ được gọi là cộng hưởng từ hạt nhân, sử dụng từ trường mạnh và xung vô tuyến để điều khiển trạng thái lượng tử của các nguyên tử trong một phân tử lớn. Nhóm đã dành vài năm để lên kế hoạch cho thí nghiệm, và sau đó trong vài tháng giữa đại dịch, Katiyar đã sắp xếp để dịch chuyển năng lượng giữa hai nguyên tử carbon đóng vai Alice và Bob.

Đầu tiên, một loạt các xung vô tuyến được điều chỉnh tinh vi đưa các nguyên tử carbon vào một trạng thái cơ bản năng lượng cực tiểu đặc biệt có sự vướng víu giữa hai nguyên tử. Năng lượng điểm không của hệ thống được xác định bởi năng lượng kết hợp ban đầu của Alice, Bob và sự vướng víu giữa chúng.

Tiếp theo, họ bắn một xung vô tuyến duy nhất vào Alice và một nguyên tử thứ ba, đồng thời thực hiện phép đo tại vị trí của Alice và chuyển thông tin sang một “tin nhắn văn bản” nguyên tử.

Cuối cùng, một xung khác nhắm vào cả Bob và nguyên tử trung gian đồng thời truyền thông điệp đến Bob và thực hiện phép đo ở đó, hoàn thành bí quyết năng lượng.

Họ lặp lại quy trình nhiều lần, thực hiện nhiều phép đo ở mỗi bước theo cách cho phép họ tái tạo lại các tính chất lượng tử của ba nguyên tử trong suốt quy trình. Cuối cùng, họ tính toán rằng năng lượng của nguyên tử carbon Bob đã giảm trung bình, và do đó, năng lượng đó đã được khai thác và thải ra môi trường. Điều này xảy ra mặc dù thực tế là nguyên tử Bob luôn bắt đầu ở trạng thái cơ bản. Từ đầu đến cuối, giao thức mất không quá 37 mili giây. Nhưng để năng lượng truyền từ mặt này sang mặt kia của phân tử, thông thường phải mất hơn 20 lần thời gian lâu hơn - gần bằng một giây. Năng lượng mà Alice sử dụng cho phép Bob mở khóa năng lượng không thể tiếp cận được.

Rodríguez-Briones, hiện đang làm việc tại Đại học California, Berkeley, cho biết: “Thật rõ ràng khi thấy rằng với công nghệ hiện tại, có thể quan sát quá trình kích hoạt năng lượng.

Họ đã mô tả các trình diễn đầu tiên về dịch chuyển tức thời năng lượng lượng tử trong một bản in trước mà họ đã đăng vào tháng 2022 năm XNUMX; nghiên cứu đã được chấp nhận để xuất bản trong Physical Review Letters.

Cuộc biểu tình thứ hai sẽ diễn ra sau đó 10 tháng.

Vài ngày trước Giáng sinh, Kazuki Ikeda, một nhà nghiên cứu tính toán lượng tử tại Đại học Stony Brook, đang xem một video trên YouTube đề cập đến việc truyền năng lượng không dây. Ông tự hỏi liệu điều gì đó tương tự có thể được thực hiện bằng cơ học lượng tử hay không. Sau đó, anh ấy nhớ đến công việc của Hotta - Hotta từng là một trong những giáo sư của anh ấy khi anh ấy còn là sinh viên đại học tại Đại học Tohoku - và nhận ra rằng anh ấy có thể chạy một giao thức dịch chuyển năng lượng lượng tử trên nền tảng điện toán lượng tử của IBM.

Trong vài ngày tới, anh ấy đã viết và thực hiện từ xa một chương trình như vậy. Các thí nghiệm đã xác minh rằng qubit Bob giảm xuống dưới mức năng lượng trạng thái cơ bản của nó. Đến ngày 7 tháng XNUMX, anh ta có đăng kết quả của mình trong một bản in trước.

Gần 15 năm sau khi Hotta lần đầu tiên mô tả sự dịch chuyển năng lượng, hai minh chứng đơn giản cách nhau chưa đầy một năm đã chứng minh điều đó là có thể.

“Các bài báo thí nghiệm được thực hiện rất tốt,” Lloyd nói. “Tôi hơi ngạc nhiên là không ai làm điều đó sớm hơn.”

Giấc mơ khoa học viễn tưởng

Tuy nhiên, Hotta vẫn chưa hoàn toàn hài lòng.

Ông ca ngợi các thí nghiệm là bước đầu tiên quan trọng. Nhưng ông xem chúng như những mô phỏng lượng tử, theo nghĩa là hành vi vướng víu được lập trình ở trạng thái cơ bản — thông qua các xung vô tuyến hoặc thông qua các hoạt động lượng tử trong các thiết bị của IBM. Tham vọng của anh ấy là thu năng lượng điểm không từ một hệ thống có trạng thái cơ bản tự nhiên có tính chất vướng víu giống như cách mà các trường lượng tử cơ bản tràn ngập vũ trụ thực hiện.

Để đạt được điều đó, anh ấy và Yusa đang tiến hành thử nghiệm ban đầu của họ. Trong những năm tới, họ hy vọng sẽ chứng minh được sự dịch chuyển năng lượng lượng tử trong một bề mặt silicon có các dòng điện biên với trạng thái cơ bản vướng víu bên trong — một hệ thống có hành vi gần với hành vi của trường điện từ.

Trong khi chờ đợi, mỗi nhà vật lý có tầm nhìn riêng về việc dịch chuyển năng lượng có thể tốt cho việc gì. Rodríguez-Briones nghi ngờ rằng ngoài việc giúp ổn định máy tính lượng tử, nó sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu nhiệt, năng lượng và sự vướng víu trong các hệ lượng tử. Vào cuối tháng Giêng, Ikeda đã đăng một bài báo khác chi tiết cách xây dựng dịch chuyển tức thời năng lượng vào thế giới non trẻ internet lượng tử.

Martín-Martínez tiếp tục theo đuổi giấc mơ khoa học viễn tưởng của mình. Anh ấy đã hợp tác với Erik Schnetter, một chuyên gia về mô phỏng thuyết tương đối rộng tại Viện Perimeter, để tính toán chính xác cách không-thời gian sẽ phản ứng với sự sắp xếp cụ thể của năng lượng âm.

Một số nhà nghiên cứu tìm thấy nhiệm vụ của mình hấp dẫn. “Đó là một mục tiêu đáng khen ngợi,” Lloyd cười khúc khích nói. “Ở một khía cạnh nào đó, sẽ là vô trách nhiệm về mặt khoa học nếu không theo dõi điều này. Mật độ năng lượng âm có những hậu quả rất quan trọng.”

Những người khác cảnh báo rằng con đường từ năng lượng tiêu cực đến hình dạng kỳ lạ của không-thời gian là quanh co và không chắc chắn. “Trực giác của chúng tôi về các mối tương quan lượng tử vẫn đang được phát triển,” Unruh nói. “Người ta liên tục ngạc nhiên trước những gì thực sự xảy ra khi người ta có thể thực hiện phép tính.”

Về phần mình, Hotta không dành quá nhiều thời gian để suy nghĩ về việc điêu khắc không-thời gian. Hiện tại, anh ấy cảm thấy hài lòng rằng phép tính tương quan lượng tử của anh ấy từ năm 2008 đã thiết lập một hiện tượng vật lý thực sự.

“Đây là vật lý thực tế,” anh ấy nói, “không phải khoa học viễn tưởng.”