上圖左：真空态中無法取出自由能；上圖右：量子隐形傳輸能量的概念圖；第三幅圖：量子隐形傳輸能量方案示意圖。丨圖檔來源：參考資料[1]
量子隐形傳輸能量是日本東北大學堀田正博（Masahiro Hotta）教授[2]2008年提出的一個富有想象力與争議的理論。如上圖所示，在現代實體中，真空并不是空無一物的，其中充滿了漲落的能量，但我們無法把真空中漲落的能量取出來利用。如果真空中不同區域之間有量子糾纏存在，基于量子隐形傳态（quantum teleportation）的思想，消耗能量EA對子系統A進行測量，獲得對A處真空漲落的資訊，然後把此資訊通過經典通信傳到B處，我們就可以從子系統B中獲得可用能量EB了。
下面詳細解釋一下這個過程。初始時，從局域上看，子系統A與B都處于能量最低的“真空”，我們将其定為能量零點，無法對外輸出有用的淨能量。另一方面，從整體上看A與B之間存在量子糾纏。首先對A實施測量，我們需要對它輸入能量EA。測量結果出來後，假設A的态處于α，由于A與B之間的量子糾纏，B将處于某個依賴于α的局域态。通過經典通信把測量結果α告知B之後，就可以再用局域操作U(α)讓B系統變換到能量為-EB的狀态，與此同時B系統釋放出能量，也就是我們從B中取出了淨能量EB。這整個過程看起來就像是對我們對子系統A注入能量EA，經過量子隐形能量傳輸，在遠方的B系統中取出了的能量，通常EB小于EA。
量子隐形傳輸能量顯得很離經叛道，因為要開發利用真空零點能，反倒是科幻小說中類似的概念汗牛充棟，是以論文發表在《實體評論D》（PRD）[2]後并沒有太多關注。但堀田正博堅持發展這個想法，2011年他與同僚合作提出可以利用量子霍爾效應實作量子隐形傳輸能量，并幸運地申請到了經費資助。可不幸的是，他們遇到了2011年東日本大地震和随之而來的海嘯，他們的實驗設施毀于一旦。
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隐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，關鍵技術之一在于量子比特的初始化，但它又會面臨真空漲落的限制。利用量子隐形傳輸能量的思想，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，最近他們終于在核磁共振系統中實驗驗證了量子隐形傳輸能量。[5]
在實驗中，他們先将兩個原子制備到某種能量最低的基态：強局域被動态（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施加脈沖，打開它們之間的耦合，使輔助原子C 獲得原子A的部分資訊，并確定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，這等價于把原子A的資訊傳遞給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。上述實驗步驟隻需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，遠長于實驗時間。此論文已被《實體評論快報》（PRL）接收[6]。在此實驗貼到預印本網站後過了8個月，另外一位學者基于IBM量子雲平台，也獨立實作了量子隐形傳輸能量的驗證[7]。
雖然經過15年量子隐形傳輸能量才獲得驗證，但目前的實驗并不讓人太滿意，從理論角度，它隻是某種量子模拟。堀田正博教授正在與人合作，進一步發展基于凝聚态系統的實驗方案，基于矽基系統中的邊緣電流（其中天然具有量子糾纏）來實作量子隐形傳輸能量。量子隐形傳輸能量理論在黑洞實體學、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
來源：返樸
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