撰文|尹璋琦（天津理工學(xué)院）
上圖左：真空態(tài)中未能取出自由能；上圖右：量子隱型傳輸能量的概念圖；第三幅圖：量子隱型傳輸能量方案示意圖。丨圖片來源：參考資料[1]
量子隱型傳輸能量是美國西南學(xué)院堀田正博（Hotta）院長[2]2008年提出的一個(gè)富于想像力與爭議的理論。如上圖所示，在現(xiàn)代數(shù)學(xué)中，真空并不是空無一物的，其中飽含了漲落的能量，但我們沒法把真空中漲落的能量取出來利用。假如真空中不同區(qū)域之間有量子糾纏存在，基于量子隱型傳態(tài)（）的思想，消耗能量EA對子系統(tǒng)A進(jìn)行檢測，獲得對A處真空漲落的信息，之后把此信息通過精典通訊傳到B處，我們就可以從子系統(tǒng)B中獲得可用能量EB了。
下邊詳盡解釋一下這個(gè)過程。初始時(shí)，從局域上看，子系統(tǒng)A與B都處于能量最低的“真空”，我們將其定為能量零點(diǎn)，未能對外輸出有用的凈能量。另一方面，從整體上看A與B之間存在量子糾纏。首先對A施行檢測，我們須要對它輸入能量EA。檢測結(jié)果下來后，假定A的態(tài)處于α量子隱態(tài)傳輸，由于A與B之間的量子糾纏，B將處于某個(gè)依賴于α的局域態(tài)。通過精典通訊把檢測結(jié)果α告知B以后，就可以再用局域操作U(α)讓B系統(tǒng)變換到能量為-EB的狀態(tài)量子隱態(tài)傳輸，與此同時(shí)B系統(tǒng)釋放出能量，也就是我們從B中取出了凈能量EB。這整個(gè)過程看上去好似是對我們對子系統(tǒng)A注入能量EA，經(jīng)過量子隱型能量傳輸，在遠(yuǎn)方的B系統(tǒng)中取出了的能量，一般EB大于EA。
量子隱型傳輸能量變得很離經(jīng)叛道，由于要開發(fā)借助真空零點(diǎn)能，反而是懸疑小說中類似的概念汗牛充棟，因而論文發(fā)表在《物理評論D》（PRD）[2]后并沒有太多關(guān)注。但堀田正博堅(jiān)持發(fā)展這個(gè)看法，2011年他與朋友合作提出可以借助量子霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子隱型傳輸能量，并辛運(yùn)地申請到了經(jīng)費(fèi)支助。可不幸的是，她們遇見了2011年東臺灣大地震和驟然而至的海嘯，她們的實(shí)驗(yàn)設(shè)施毀于一旦。
2013年，堀田正博應(yīng)邀去日本報(bào)告，把這個(gè)看法告訴了日本滑鐵盧學(xué)院IQC研究所的Martín-Martínez等人，造成了她們的興趣。她們很快就發(fā)覺量子隱型傳輸能量的看法可以幫助改進(jìn)量子估算技術(shù)。研制量子計(jì)算機(jī)時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)之一在于量子比特的初始化，但它又會面臨真空漲落的限制。借助量子隱型傳輸能量的思想，2017年她們提出一種初始化量子比特的理論方案[4]。又經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)技術(shù)提高，近來她們總算在核磁共振系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了量子隱型傳輸能量。[5]
在實(shí)驗(yàn)中，她們先將兩個(gè)原子制備到某種能量最低的能級：強(qiáng)局域被動態(tài)（localstate），對其中任何一個(gè)原子進(jìn)行任意局域操作都未能取出能量，且原子間有量子糾纏。之后她們對原子A與輔助原子C施加脈沖，打開它們之間的耦合，使輔助原子C獲得原子A的部份信息，并確保此操作不會改變原子B的能量。之后把原子C與原子B之間的耦合打開，這等價(jià)于把原子A的信息傳遞給B。在這一系列操作以后，我們就可以用局域操作從原子B中獲得能量了。上述實(shí)驗(yàn)步驟只需37微秒就可以完成，而能量從A傳輸?shù)紹原子所須要的時(shí)間須要一秒鐘，遠(yuǎn)長于實(shí)驗(yàn)時(shí)間。此論文已被《物理評論快報(bào)》（PRL）接收[6]。在此實(shí)驗(yàn)貼到預(yù)印本網(wǎng)站后過了8個(gè)月，另外一位學(xué)者基于IBM量子云平臺，也獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了量子隱型傳輸能量的驗(yàn)證[7]。
盡管經(jīng)過15年量子隱型傳輸能量才獲得驗(yàn)證，但目前的實(shí)驗(yàn)并不讓人太滿意，從理論角度，它只是某種量子模擬。堀田正博院士正在與人合作，進(jìn)一步發(fā)展基于匯聚態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案，基于硅基系統(tǒng)中的邊沿電壓（其中天然具有量子糾纏）來實(shí)現(xiàn)量子隱型傳輸能量。量子隱型傳輸能量理論在黑洞數(shù)學(xué)學(xué)、彎曲時(shí)空量子場論等領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價(jià)值。
參考資料
[1]~hotta/--qet-.pdf
[2]~hotta/
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
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