Fizycy używają mechaniki kwantowej do wyciągania energii z niczego

W ramach swojej ostatniej magicznej sztuczki fizycy wykonali kwantowy odpowiednik wyczarowania energii z powietrza. To wyczyn, który wydaje się być sprzeczny z prawami fizycznymi i zdrowym rozsądkiem.

„Nie można wydobyć energii bezpośrednio z próżni, ponieważ nie ma tam nic do zaoferowania” – powiedział Williama Unruha, fizyk teoretyczny z University of British Columbia, opisując standardowy sposób myślenia.

Ale 15 lat temu Masahiro Hotta, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Tohoku w Japonii, zasugerował, że być może próżnię można w rzeczywistości nakłonić do rezygnacji z czegoś.

Początkowo wielu badaczy zignorowało tę pracę, podejrzewając, że pobieranie energii z próżni jest w najlepszym razie nieprawdopodobne. Jednak ci, którzy przyjrzeli się bliżej, zdali sobie sprawę, że Hotta sugeruje nieco inny wyczyn kwantowy. Energia nie była darmowa; należało go odblokować za pomocą wiedzy zakupionej za energię w odległym miejscu. Z tej perspektywy procedura Hotty mniej przypominała tworzenie, a bardziej teleportację energii z jednego miejsca do drugiego — dziwny, ale mniej obraźliwy pomysł.

„To była prawdziwa niespodzianka”, powiedział Unruh, który współpracował z Hottą, ale nie był zaangażowany w badania nad teleportacją energii. „To naprawdę fajny wynik, który odkrył”.

W zeszłym roku naukowcy teleportowali energię na mikroskopijne odległości w dwóch oddzielnych urządzeniach kwantowych, potwierdzając teorię Hotty. Badania pozostawiają niewiele miejsca na wątpliwości, że teleportacja energii jest prawdziwym zjawiskiem kwantowym.

„To naprawdę sprawdza” — powiedział Setha Lloyda, fizyk kwantowy z Massachusetts Institute of Technology, który nie był zaangażowany w badania. „Właściwie się teleportujesz. Wydobywasz energię”.

Kredyt kwantowy

Pierwszym sceptykiem teleportacji energii kwantowej był sam Hotta.

W 2008 roku poszukiwał sposobu na zmierzenie siły osobliwego łącza kwantowo-mechanicznego, znanego jako uwikłanie, gdzie dwa lub więcej obiektów dzieli jednolity stan kwantowy, który sprawia, że ​​zachowują się one w podobny sposób, nawet jeśli są oddzielone dużymi odległościami. Cechą definiującą splątanie jest to, że musisz je stworzyć za jednym zamachem. Nie możesz zaprojektować powiązanego zachowania, bawiąc się jednym obiektem, a drugim niezależnie, nawet jeśli zadzwonisz do przyjaciela w innym miejscu i powiesz mu, co zrobiłeś.

Badając czarne dziury, Hotta zaczął podejrzewać, że egzotyczne zjawisko w teorii kwantowej — energia ujemna — może być kluczem do pomiaru splątania. Czarne dziury kurczą się, emitując promieniowanie splątane z ich wnętrzem, proces, który można również postrzegać jako czarną dziurę połykającą kupę ujemnej energii. Hotta zauważył, że ujemna energia i splątanie wydają się być ściśle ze sobą powiązane. Aby wzmocnić swoją argumentację, postanowił udowodnić, że ujemnej energii – takiej jak splątanie – nie można wytworzyć poprzez niezależne działania w różnych miejscach.

Ku swemu zaskoczeniu Hotta odkrył, że prosta sekwencja zdarzeń może w rzeczywistości spowodować, że próżnia kwantowa stanie się ujemna – oddając energię, której najwyraźniej nie miała. „Najpierw myślałem, że się mylę”, powiedział, „więc ponownie obliczyłem i sprawdziłem swoją logikę. Ale nie mogłem znaleźć żadnej wady.”

Problem wynika z dziwacznej natury próżni kwantowej, która jest osobliwy rodzaj niczego który niebezpiecznie zbliża się do czegoś. Zasada nieoznaczoności zabrania jakiemukolwiek systemowi kwantowemu ustabilizowanie się w idealnie cichym stanie o dokładnie zerowej energii. W rezultacie nawet próżnia musi zawsze trzaskać fluktuacjami pól kwantowych, które ją wypełniają. Te niekończące się fluktuacje nasycają każde pole pewną minimalną ilością energii, znaną jako energia punktu zerowego. Fizycy twierdzą, że układ o takiej minimalnej energii jest w stanie podstawowym. System w stanie podstawowym przypomina trochę samochód zaparkowany na ulicach Denver. Mimo że znajduje się wysoko nad poziomem morza, nie może zejść niżej.

A jednak wydawało się, że Hotta znalazła podziemny garaż. Zdał sobie sprawę, że aby odblokować bramę, musi jedynie wykorzystać wewnętrzne splątanie w trzaskaniu pola kwantowego.

Nieustannych fluktuacji próżni nie można na przykład wykorzystać do zasilania perpetuum mobile, ponieważ fluktuacje w danym miejscu są całkowicie przypadkowe. Jeśli wyobrazisz sobie podłączenie fantazyjnej baterii kwantowej do próżni, połowa fluktuacji naładuje urządzenie, a druga połowa je rozładuje.

Ale pola kwantowe są splątane — fluktuacje w jednym miejscu mają tendencję do dopasowywania się do fluktuacji w innym miejscu. W 2008 roku Hotta opublikował artykuł opisujący, w jaki sposób dwóch fizyków, Alice i Bob, może wykorzystać te zależności wyciągnąć energię ze stanu podstawowego otaczającego Boba. Schemat idzie mniej więcej tak.

Bob potrzebuje energii — chce naładować tę fantazyjną baterię kwantową — ale wszystko, do czego ma dostęp, to pusta przestrzeń. Na szczęście jego przyjaciółka Alice ma w pełni wyposażone laboratorium fizyczne w odległym miejscu. Alicja mierzy pole w swoim laboratorium, wprowadzając tam energię i poznając jego fluktuacje. Ten eksperyment wytrąca całe pole ze stanu podstawowego, ale o ile Bob może stwierdzić, jego próżnia pozostaje w stanie minimalnej energii, losowo się zmieniając.

Ale potem Alice pisze do Boba o swoich ustaleniach dotyczących próżni wokół jej lokalizacji, zasadniczo mówiąc Bobowi, kiedy podłączyć baterię. Po przeczytaniu jej wiadomości Bob może wykorzystać nowo zdobytą wiedzę do przygotowania eksperymentu, który pobiera energię z próżni — do ilości wstrzykniętej przez Alice.

„Ta informacja pozwala Bobowi, jeśli chcesz, określić czas fluktuacji” - powiedział Eduardo Martín-Martínez, fizyk teoretyczny z University of Waterloo i Perimeter Institute, który pracował nad jednym z nowych eksperymentów. (Dodał, że pojęcie czasu jest bardziej metaforyczne niż dosłowne, ze względu na abstrakcyjny charakter pól kwantowych).

Bob nie może wydobyć więcej energii, niż włożyła Alicja, więc energia jest zachowana. I brakuje mu wiedzy niezbędnej do wydobycia energii, dopóki nie nadejdzie wiadomość od Alice, więc żaden efekt nie porusza się szybciej niż światło. Protokół nie narusza żadnych świętych zasad fizycznych.

Niemniej jednak publikacja Hotty spotkała się ze świerszczami. Maszyny wykorzystujące energię punktu zerowego próżni są ostoją fantastyki naukowej, a jego procedura zirytowała fizyków zmęczonych wystawianiem szalonych propozycji takich urządzeń. Ale Hotta był pewien, że coś jest na rzeczy, i kontynuował rozwijać jego pomysł i promować go w rozmowach. Otrzymał dalszą zachętę od Unruha, który zyskał rozgłos dzięki odkryciu innego dziwne zachowanie próżni.

„Tego rodzaju rzeczy są dla mnie prawie drugą naturą”, powiedział Unruh, „że możesz robić dziwne rzeczy z mechaniką kwantową”.

Hotta również szukał sposobu, aby to przetestować. Związał się z Go Yusą, eksperymentatorem specjalizującym się w materii skondensowanej na Uniwersytecie Tohoku. Zaproponowali eksperyment w układ półprzewodnikowy ze splątanym stanem podstawowym analogicznym do pola elektromagnetycznego.

Ale ich badania były wielokrotnie opóźniane przez inny rodzaj fluktuacji. Wkrótce po sfinansowaniu ich pierwszego eksperymentu trzęsienie ziemi i tsunami w Tohoku w marcu 2011 r. spustoszyły wschodnie wybrzeże Japonii — w tym Uniwersytet Tohoku. W ostatnich latach kolejne wstrząsy dwukrotnie uszkodziły delikatny sprzęt laboratoryjny. Dziś ponownie zaczynają praktycznie od zera.

Wykonanie skoku

Z czasem pomysły Hotty zakorzeniły się również w mniej podatnej na trzęsienia ziemi części globu. Zgodnie z sugestią Unruha Hotta wygłosił wykład na konferencji w Banff w Kanadzie w 2013 roku. Przemówienie poruszyło wyobraźnię Martína-Martíneza. „Jego umysł pracuje inaczej niż wszyscy inni” — powiedział Martín-Martínez. „Jest osobą, która ma wiele nieszablonowych pomysłów, które są niezwykle kreatywne”.

Martín-Martínez, który pół serio nazywa siebie „inżynierem czasoprzestrzeni”, od dawna czuje pociąg do fizyki z pogranicza science fiction. Marzy o znalezieniu fizycznie wiarygodnych sposobów tworzenia tuneli czasoprzestrzennych, napędów warp i wehikułów czasu. Każde z tych egzotycznych zjawisk sprowadza się do dziwacznego kształtu czasoprzestrzeni, na który pozwalają wyjątkowo adekwatne równania ogólnej teorii względności. Ale są one również zabronione przez tak zwane warunki energetyczne, garść ograniczeń, które znani fizycy Roger Penrose i Stephen Hawking nałożyli na ogólną teorię względności, aby powstrzymać teorię przed pokazaniem jej dzikiej strony.

Najważniejszym z przykazań Hawkinga-Penrose'a jest zakaz ujemnej gęstości energii. Ale podczas słuchania prezentacji Hotty Martín-Martínez zdał sobie sprawę, że zanurzenie poniżej stanu podstawowego pachnie trochę jak czyniąc energię ujemną. Pomysł był kocimiętką dla fana Star Trek technologii i zagłębił się w pracę Hotty.

Szybko zdał sobie sprawę, że teleportacja energii może pomóc rozwiązać problem, z którym borykali się niektórzy jego koledzy z informatyki kwantowej, m.in Raymonda Laflamme'a, fizyk z Waterloo i Nayeli Rodríguez-Briones, ówczesny uczeń Laflamme'a. Para miała bardziej przyziemny cel: wziąć kubity, elementy składowe komputerów kwantowych, i sprawić, by były tak zimne, jak to tylko możliwe. Zimne kubity są niezawodnymi kubitami, ale grupa osiągnęła teoretyczną granicę, poza którą wydawało się niemożliwe wyciągnięcie więcej ciepła – podobnie jak Bob stanął w obliczu próżni, z której wydobycie energii wydawało się niemożliwe.

Podczas swojego pierwszego występu w grupie Laflamme'a Martín-Martínez musiał stawić czoła wielu sceptycznym pytaniom. Kiedy jednak odniósł się do ich wątpliwości, stali się bardziej otwarci. Zaczęli badać teleportację energii kwantowej, aw 2017 r zaproponował metodę za odprowadzanie energii z kubitów, aby pozostawić je zimniejsze niż jakakolwiek inna znana procedura. Mimo to „to wszystko była teoria” — powiedział Martín-Martínez. „Nie było żadnego eksperymentu”.

Martín-Martínez i Rodríguez-Briones wraz z Laflamme i eksperymentatorem, Hemanta Katiyara, postanowił to zmienić.

Zwrócili się ku technologii znanej jako jądrowy rezonans magnetyczny, która wykorzystuje potężne pola magnetyczne i impulsy radiowe do manipulowania stanami kwantowymi atomów w dużej cząsteczce. Grupa spędziła kilka lat planując eksperyment, a następnie przez kilka miesięcy w środku pandemii Katiyar zorganizowała teleportację energii między dwoma atomami węgla, grając role Alicji i Boba.

Po pierwsze, precyzyjnie dostrojona seria impulsów radiowych wprowadza atomy węgla w określony stan podstawowy o minimalnej energii, charakteryzujący się splątaniem między dwoma atomami. Energia punktu zerowego dla układu została określona przez początkową połączoną energię Alicji, Boba i splątania między nimi.

Następnie wystrzelili pojedynczy impuls radiowy w stronę Alice i trzeci atom, jednocześnie dokonując pomiaru w pozycji Alice i przesyłając informacje do atomowej „wiadomości tekstowej”.

W końcu kolejny impuls wycelowany zarówno w Boba, jak i w atom pośredni, jednocześnie przekazał wiadomość Bobowi i dokonał tam pomiaru, dopełniając intrygę energetyczną.

Powtarzali ten proces wiele razy, dokonując wielu pomiarów na każdym etapie w sposób, który pozwolił im zrekonstruować właściwości kwantowe trzech atomów podczas całej procedury. W końcu obliczyli, że energia atomu węgla Boba średnio spadła, a zatem ta energia została wydobyta i uwolniona do środowiska. Stało się tak pomimo faktu, że atom Boba zawsze zaczynał w stanie podstawowym. Od początku do końca protokół trwał nie więcej niż 37 milisekund. Ale aby energia przemieściła się z jednej strony cząsteczki na drugą, normalnie zajęłoby to ponad 20 razy więcej – prawie całą sekundę. Energia zużyta przez Alice pozwoliła Bobowi odblokować energię niedostępną w inny sposób.

„Bardzo miło było zobaczyć, że przy obecnej technologii możliwe jest obserwowanie aktywacji energii” – powiedział Rodríguez-Briones, który obecnie pracuje na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Opisali pierwsza demonstracja teleportacji energii kwantowej w przeddruku, który opublikowali w marcu 2022 r.; od tego czasu badania zostały zaakceptowane do publikacji w Physical Review Letters.

Druga demonstracja miała nastąpić 10 miesięcy później.

Kilka dni przed Bożym Narodzeniem, Kazuki Ikeda, badacz obliczeń kwantowych na Uniwersytecie Stony Brook, oglądał na YouTube film, w którym wspomniano o bezprzewodowym przesyłaniu energii. Zastanawiał się, czy coś podobnego można zrobić mechanicznie kwantowo. Potem przypomniał sobie pracę Hotty — Hotta był jednym z jego profesorów, kiedy był studentem na Uniwersytecie Tohoku — i zdał sobie sprawę, że może uruchomić protokół teleportacji energii kwantowej na kwantowej platformie obliczeniowej IBM.

W ciągu następnych kilku dni napisał i zdalnie wykonał właśnie taki program. Eksperymenty potwierdziły, że kubit Bob spadł poniżej swojej energii stanu podstawowego. Do 7 stycznia miał opublikował swoje wyniki w przeddruku.

Prawie 15 lat po tym, jak Hotta po raz pierwszy opisał teleportację energii, dwie proste demonstracje w odstępie krótszym niż rok dowiodły, że jest to możliwe.

„Dokumenty eksperymentalne są ładnie wykonane” – powiedział Lloyd. „Byłem trochę zaskoczony, że nikt nie zrobił tego wcześniej”.

Sny science-fiction

A jednak Hotta nie jest jeszcze w pełni usatysfakcjonowany.

Chwali eksperymenty jako ważny pierwszy krok. Ale postrzega je jako symulacje kwantowe w tym sensie, że splątane zachowanie jest zaprogramowane w stanie podstawowym – albo przez impulsy radiowe, albo przez operacje kwantowe w urządzeniach IBM. Jego ambicją jest zebranie energii punktu zerowego z systemu, którego stan podstawowy naturalnie charakteryzuje się splątaniem w taki sam sposób, jak podstawowe pola kwantowe przenikające wszechświat.

W tym celu on i Yusa kontynuują swój oryginalny eksperyment. W nadchodzących latach mają nadzieję zademonstrować teleportację energii kwantowej na powierzchni krzemu z prądami krawędziowymi z wewnętrznie splątanym stanem podstawowym – systemem o zachowaniu zbliżonym do pola elektromagnetycznego.

W międzyczasie każdy fizyk ma własną wizję tego, do czego może się przydać teleportacja energii. Rodríguez-Briones podejrzewa, że ​​oprócz pomocy w stabilizacji komputerów kwantowych, będzie nadal odgrywać ważną rolę w badaniu ciepła, energii i splątania w układach kwantowych. Pod koniec stycznia Ikeda opublikował kolejny artykuł który szczegółowo opisuje, jak zbudować teleportację energii w rodzącym się Internet kwantowy.

Martín-Martínez nadal goni za swoimi marzeniami science-fiction. Współpracował z Eryka Schnettera, eksperta w dziedzinie symulacji ogólnej teorii względności w Instytucie Perimeter, aby dokładnie obliczyć, jak czasoprzestrzeń zareaguje na określone układy ujemnej energii.

Niektórzy badacze uważają jego poszukiwania za intrygujące. — To godny pochwały cel — powiedział Lloyd ze śmiechem. „W pewnym sensie nieodpowiedzialne z naukowego punktu widzenia byłoby niepodejmowanie dalszych działań w tej sprawie. Ujemna gęstość energii ma bardzo ważne konsekwencje”.

Inni ostrzegają, że droga od negatywnych energii do egzotycznych kształtów czasoprzestrzeni jest kręta i niepewna. „Nasza intuicja dotycząca korelacji kwantowych wciąż się rozwija” – powiedział Unruh. „Ciągle człowiek jest zaskoczony tym, co tak naprawdę jest, kiedy już potrafi wykonać obliczenia”.

Hotta ze swojej strony nie spędza zbyt wiele czasu na myśleniu o rzeźbieniu czasoprzestrzeni. Na razie jest zadowolony, że jego obliczenie korelacji kwantowej z 2008 roku wykazało prawdziwe zjawisko fizyczne.

„To jest prawdziwa fizyka”, powiedział, „nie science fiction”.