Ученые телепортируют энергию при помощи квантовой механики

04.03.2023

Протокол телепортации квантовой энергии предложен в 2008 году и по большей части был проигнорирован. Но сегодня два независимых эксперимента показали, что он работает. 15 лет назад физик-теоретик из Университета Тохоку в Японии Масахиро Хотта предположил, что вакуум можно заставить что-то нам дать.

Многие исследователи проигнорировали эту работу, подозревая, что получение энергии из вакуума в лучшем случае невозможно. Однако более внимательные ученые поняли, что Хотта предлагал несколько иной квантовый трюк. Энергия возникает не просто так; ее нужно разблокировать, используя данные, полученную в другом месте в обмен на энергию. С этой точки зрения метод Хотты выглядит не столько как генерация, сколько как телепортация энергии.

«Это был настоящий сюрприз, — сказал Уильям Унру, который сотрудничал с Хоттой, но не участвовал в исследованиях. — Отличный результат».

В 2022 году ученые, подтвердив теорию Хотты, телепортировали энергию в двух отдельных квантовых устройствах на микроскопические расстояния. Исследование не оставляет сомнений в том, что телепортация энергии — установленное квантовое явление.

«Это проверка, — считает квантовый физик из Массачусетского технологического института Сет Ллойд, который не участвовал в исследовании. — Телепортация происходит, энергия извлекается».

Квантовое доверие

Первым скептиком квантовой телепортации энергии оказался сам Хотта. В 2008 году он искал способ измерения прочности квантовой запутанности, когда два или более объектов обладают единым квантовым состоянием, заставляющим их вести себя как два связанных объекта вопреки огромным расстояниям.

Запутанность отличается тем, что спроектировать связанное поведение и при этом управляться с одним и другим объектом отдельно нельзя.

Масахиро Хотта предложил протокол телепортации квантовой энергии в 2008 году

Изучая черные дыры, Хотта пришел к выводу, что ключом к измерению запутанности может оказаться отрицательная энергия. Черные дыры сжимаются, испуская запутанное в них излучение. Хотта отметил, что отрицательная энергия и запутанность, по-видимому, тесно связаны. Чтобы укрепиться во мнении, он решил доказать, что отрицательная энергия — подобно запутанности — не может возникнуть из-за независимых действий в разных местах.

К своему удивлению, Хотта обнаружил, что простая последовательность событий действительно может заставить квантовый вакуум потерять энергию, которой у него, видимо, не было. «Сначала я подумал, что ошибся, — сказал он, — поэтому снова посчитал и проверил логику. Но не смог найти ни одного недостатка».

Проблема возникает из-за природы квантового вакуума, — это особый тип ничего, опасно близкий к тому, чтобы напоминать что-то. Принцип неопределенности запрещает любой квантовой системе переходить в совершенно спокойное состояние с ровно нулевой энергией, поэтому даже вакуум всегда должен трещать от флуктуаций заполняющих его квантовых полей. Эти бесконечные колебания наполняют каждое поле некоторым минимальным количеством энергии — энергией нулевой точки. Физики говорят, что система с такой наименьшей энергией находится в основном состоянии. Такая система немного похожа на автомобиль, припаркованный на улицах Денвера [Денвер расположен в 1609 метрах над уровнем моря]. Автомобиль находится намного выше уровня моря и не может спуститься ниже.

И все же Хотта, похоже, нашел спуск для такого автомобиля. Он понял, что достаточно использовать внутреннюю запутанность в потрескивании квантового поля.

Непрекращающиеся флуктуации вакуума нельзя использовать, скажем, для питания вечного двигателя, ведь они совершенно случайны. Если представить подключенную к вакууму квантовую батарею, то половина флуктуаций будет заряжать устройство, а другая — разряжать его.

Но квантовые поля запутаны, то есть флуктуации в одном месте имеют тенденцию совпадать с флуктуациями в другом месте. В 2008 году Хотта опубликовал статью, в которой описал, как два физика, Алиса и Боб, могут использовать эти корреляции, чтобы извлекать энергию из окружающего Боба основного состояния.

Боб хочет зарядить квантовую батарею, но все, что у него есть, — это пустое пространство. К счастью, у Алисы — полностью оборудованная физическая лаборатория в отдалении. Алиса измеряет поле в своей лаборатории, вводя в него энергию и изучая его колебания. Этот эксперимент выводит общее поле физиков из основного состояния, но, насколько может судить Боб, его вакуум остается в состоянии минимальной энергии и флуктуирует беспорядочно.

Алиса отправляет Бобу сообщение с выводами о вакууме вокруг нее: она говорит Бобу, когда подключать батарею. Позже Боб сможет использовать знания Алисы, чтобы извлечь энергию из вакуума — вплоть до количества, с которым работала Алиса.

«Эта информация позволяет Бобу, если хотите, определять время колебаний», — сказал Эдуардо Мартин-Мартинес, физик-теоретик из Университета Ватерлоо и Института Периметра, который работал над одним из новых экспериментов. Он добавил, что из-за абстрактной природы квантовых полей понятие времени скорее метафорическое, чем буквальное.

Боб не может извлечь больше энергии, чем вложила Алиса (ни один эффект не распространяется быстрее света). Протокол не нарушает никаких основополагающих физических принципов.

Но публикацию Хотты встретили тишиной в ответ. Машины, использующие энергию нулевой точки вакуума, — основа научной фантастики, и предложенный метод раздражал физиков, уставших выдвигать сумасшедшие предложения о таких машинах. Но Хотта был уверен, что что-то понял, и продолжал разрабатывать и продвигать ее. Его поддержал Унру, получивший известность благодаря открытию другого странного поведения вакуума.

«Такого рода вещи понятны мне почти без раздумий, — сказал Унру, — с квантовой механикой можно делать странное».

Хотта также искал способ проверить это. Он связался с Го Юсой, экспериментатором и специалистом по конденсированным средам в Университете Тохоку. Позже Хотта и Юса провели эксперимент в полупроводниковой системе с запутанным основным состоянием, подобным состоянию электромагнитного поля.

После получения финансирования на первоначальный эксперимент землетрясение Тохоку в марте 2011 года и цунами опустошили восточное побережье Японии, коснувшись и Университета Тохоку. Новые толчки последних лет дважды повредили хрупкое оборудование. Сегодня ученые опять начинают с нуля.

Прыжок

В 2013 году по предложению Унру Хотта прочитал лекцию на конференции в Банфе, Канада. Речь захватила воображение Мартина-Мартинеса. «Его [Хотты] ум работает иначе, чем у других, — считает Мартин-Мартинес. — Он человек со множеством нестандартных, очень творческих идей».

Экспериментальный тест протокола телепортации провели на квантовом компьютере IBM, который показали на выставке Consumer Electronics Show 2020 в Лас-Вегасе

Мартин-Мартинес, полушутя называющий себя «инженером пространства-времени», давно чувствует тягу к физике на грани научной фантастики. Он мечтает найти физически правдоподобные способы создать червоточины, варп-двигатели и машины времени: все они сводится к форме пространства-времени, существование которой допускается очень гибкими уравнениями общей теории относительности. Но эти уравнения недопустимы из-за ограничений, которые известные физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг наложили на общую теорию относительности.

Главная заповедь Хокинга-Пенроуза — плотность энергии не может быть отрицательной. Но, слушая презентацию Хотты, Мартин-Мартинес понял, что это немного похоже на отрицательное значение энергии. Эта концепция пришлась по вкусу поклоннику технологий Star Trek, он погрузился в работу Хотты.

И вскоре физик понял, что телепортация энергии может помочь решить проблему его коллег в области квантовой информации — Реймонда Лафламма, физика из Ватерлоо, и Найели Родригес-Брионес, в то время студентку Лафламма. У двух ученых были более приземленные цели: взять кубиты — строительные блоки квантовых компьютеров и как можно сильнее охладить их. Холодные кубиты — это надежные кубиты, но ученые столкнулись с теоретическим пределом, за которым извлечь больше тепла казалось невозможным — подобно тому, как Боб столкнулся с вакуумом, из которого, казалось, получить энергию нельзя.

В 2022 году группа Рэймонда Лафламма из Университета Ватерлоо утвердила протокол телепортации квантовой энергии

Мартин-Мартинес столкнулся с большим скепсисом, но со временем ученые становились восприимчивыми. Они стали изучать квантовую телепортацию энергии, а в 2017 году предложили метод, позволяющий отводить энергию кубитов, чтобы охладить их сильнее, чем это делали прежние методы. Но «все это была теория, — рассказывает Мартин-Мартинес. — Никакого эксперимента не было». Мартин-Мартинес, Родригес-Брионес, Лафламм и Хемант Катияр решили это изменить.

Ученые обратились к ядерному магнитному резонансу, где для управления квантовыми состояниями атомов в большой молекуле используются мощные магнитные поля и радиоимпульсы. Несколько лет ученые потратили на планирование эксперимента, а в разгар пандемии Катияр устроил телепортацию энергии между «Алисой» и «Бобом» — двумя атомами углерода.

Точно настроенная серия радиоимпульсов переводит атомы углерода в определенное основное состояние с минимальной энергией. Это состояние характеризуется запутанностью двух атомами. Энергия нулевой точки для системы определялась начальной объединенной энергией Алисы, Боба и энергией их запутанности.

Ученые отправили одиночный радиоимпульс Алисе и третьему атому, одновременно измерив положения Алисы и передав информацию в атомарное «текстовое сообщение». Наконец, другой импульс, направленный на Боба и на промежуточный атом, одновременно передал сообщение Бобу и способствовал измерению, завершая манипуляции с энергией.

Четверо ученых повторили эксперимент много раз, на каждом этапе выполняя множество измерений, что позволило реконструировать квантовые свойства трех атомов на протяжении всей процедуры. В конце концов они подсчитали, что энергия атома углерода Боба в среднем уменьшилась, и, таким образом, она была извлечена и выпущена в пространство. Это произошло несмотря на то, что атом Боба в начале эксперимента всегда находился в своем основном состоянии. От начала до конца протокол занял не более 37 миллисекунд. Но для того чтобы энергия переместилась с одной стороны молекулы на другую, обычно требовалось более чем в 20 раз больше времени, а это почти полная секунда. Потраченная Алисой энергия позволила Бобу разблокировать энергию, иначе недоступную.

«Было очень приятно, что с помощью современных технологий можно наблюдать активацию энергии», — сказал об этом Родригес-Брионес, ныне занятый в Калифорнийском университете в Беркли.

Первую демонстрацию телепортации квантовой энергии ученые описали в препринте, который опубликовали в марте 2022 года; исследование принято для публикации в Physical Review Letters.

Наели Родригес-Брионес считает, что эти системы можно использовать для изучения тепла, энергии и запутанности в квантовых системах

Вторая демонстрация прошла через 10 месяцев. За несколько дней до Рождества Казуки Икеда, исследователь квантовых вычислений из Университета Стоуни-Брук, смотрел на YouTube видео, в котором упоминалась беспроводная передача энергии. Ученый задался вопросом, можно ли сделать что-то подобное с помощью квантовой механики. Икеда вспомнил работу Хотты (одного из его профессоров во времена обучения в Университете Тохоку) и понял, что может запустить протокол телепортации квантовой энергии на платформе квантовых вычислений IBM.

За несколько дней Казуки написал и удаленно выполнил именно такую программу. Эксперименты подтвердили, что энергия кубита Боба упала ниже энергии основного состояния. А к 7 января Хотта опубликовал результаты в препринте.

Итак, спустя почти 15 лет после того, как Хотта впервые описал энергетическую телепортацию, две простые демонстрации с интервалом менее года доказали, что она возможна.

«Документы эксперимента прекрасно оформлены, — подмечает Ллойд. — Я был несколько удивлен, что никто не сделал этого раньше».

Научно-фантастические мечты

И все же Хотта удовлетворен не полностью. Он хвалит эксперименты как важный первый шаг. Но он рассматривает их как квантовые симуляции в том смысле, что запутанное поведение запрограммировано в основное состояние — с помощью радиоимпульсов или операций квантовых компьютеров. Его цель — собрать энергию нулевой точки из системы, основное состояние которой естественным образом характеризуется запутанностью так же, как фундаментальные квантовые поля.

С этой целью Хотта и Юса продвигают свой эксперимент. В ближайшие годы они надеются показать телепортацию квантовой энергии на поверхности кремния с токами на краях, а также с внутренне запутанным основным состоянием. Поведение такой системы близко к поведению электромагнитного поля.

Между тем у каждого физика есть свое видение того, для чего может быть полезна энергетическая телепортация. Родригес-Брионес подозревает, что помимо помощи в стабилизации квантовых компьютеров, телепортация энергии продолжит играть важную роль в изучении тепла, энергии и запутанности в квантовых системах. В конце января Икеда опубликовал еще одну статью, в которой подробно описывается, как использовать телепортацию энергии в квантовом интернете.

Мартин-Мартинес продолжает преследовать свои научно-фантастические мечты. Он объединился с Эриком Шнеттером, экспертом по моделированию в области общей теории относительности в Институте Периметра, чтобы точно рассчитать, как пространство-время отреагирует на определенное расположение отрицательной энергии.

Некоторые исследователи считают его поиски интригующими. «Это похвальная цель, — усмехнулся Ллойд. — В некотором смысле с научной точки зрения не заняться этим было бы безответственно. Отрицательная плотность энергии имеет очень важные последствия».

Другие ученые предупреждают: «Наши представления в отношении квантовых корреляций все еще развивается, — говорит Унру. — Человек постоянно удивляется тому, что происходит на самом деле, когда может выполнить расчеты».

Хотта не тратит слишком много времени на размышления о лепке пространства-времени. Сейчас он доволен тем, что его расчеты квантовой корреляции 2008 года установили подлинное физическое явление.

«Это настоящая физика, — сказал он, — а не научная фантастика».