量子隱形傳輸能量：從真空提取能量已成現實？_風聞

簡直像科幻一樣，把某處的真空能量隱形傳輸到遠方。

撰文 | 尹璋琦（北京理工大學）

上圖左：真空態中無法取出自由能；上圖右：量子隱形傳輸能量的概念圖；第三幅圖：量子隱形傳輸能量方案示意圖。丨圖片來源：參考資料[1]

量子隱形傳輸能量顯得很離經叛道，因為要開發利用真空零點能，反倒是科幻小説中類似的概念汗牛充棟，因此論文發表在《物理評論D》（PRD）[2]後並沒有太多關注。但堀田正博堅持發展這個想法，2011年他與同事合作提出可以利用量子霍爾效應實現量子隱形傳輸能量，並幸運地申請到了經費資助。可不幸的是，他們遇到了2011年東日本大地震和隨之而來的海嘯，他們的實驗設施毀於一旦。2013年，堀田正博應邀去加拿大報告，把這個想法告訴了加拿大滑鐵盧大學IQC研究所的Martín-Martínez等人，引起了他們的興趣。他們很快就發現量子隱形傳輸能量的想法可以幫助改進量子計算技術。研發量子計算機時，關鍵技術之一在於量子比特的初始化，但它又會面臨真空漲落的限制。利用量子隱形傳輸能量的思想，2017年他們提出一種初始化量子比特的理論方案[4]。又經過多年的實驗技術提升，最近他們終於在核磁共振系統中實驗驗證了量子隱形傳輸能量。[5]

在實驗中，他們先將兩個原子製備到某種能量最低的基態：強局域被動態（strong local passive state），對其中任何一個原子進行任意局域操作都無法取出能量，且原子間有量子糾纏。然後他們對原子A與輔助原子C施加脈衝，打開它們之間的耦合，使輔助原子C 獲得原子A的部分信息，並確保此操作不會改變原子B的能量。然後把原子C與原子B之間的耦合打開，這等價於把原子A的信息傳遞給B。在這一系列操作之後，我們就可以用局域操作從原子B中獲得能量了。上述實驗步驟只需37毫秒就可以完成，而能量從A傳輸到B原子所需要的時間需要一秒鐘，遠長於實驗時間。此論文已被《物理評論快報》（PRL）接收[6]。在此實驗貼到預印本網站後過了8個月，另外一位學者基於IBM量子云平台，也獨立實現了量子隱形傳輸能量的驗證[7]。

雖然經過15年量子隱形傳輸能量才獲得驗證，但目前的實驗並不讓人太滿意，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，進一步發展基於凝聚態系統的實驗方案，基於硅基系統中的邊緣電流（其中天然具有量子糾纏）來實現量子隱形傳輸能量。量子隱形傳輸能量理論在黑洞物理學、彎曲時空量子場論等領域也有潛在應用價值。

參考資料

[1] http://www.tuhep.phys.tohoku.ac.jp/~hotta/extended-version-qet-review.pdf

[2] http://www.tuhep.phys.tohoku.ac.jp/~hotta/

[3] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.78.045006

[4] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.050502

[5] https://arxiv.org/abs/2203.16269

[6] https://journals.aps.org/prl/accepted/74074Yf4Fc91c98230f91f68b90ad23c070a51171

[7] https://arxiv.org/abs/2301.02666

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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