量子隐形传输能量是日本东北大学堀田正博(Masahiro Hotta)教授[2] 2008 年提出的一个富有想象力与争议的理论。如上图所示,在现代物理中,真空并不是空无一物的,其中充满了涨落的能量,但我们无法把真空中涨落的能量取出来利用。如果真空中不同区域之间有量子纠缠存在,基于量子隐形传态(quantum teleportation)的思想,消耗能量 EA 对子系统 A 进行测量,获得对 A 处真空涨落的信息,然后把此信息通过经典通信传到 B 处,我们就可以从子系统 B 中获得可用能量 EB 了。
下面详细解释一下这个过程。初始时,从局域上看,子系统 A 与 B 都处于能量最低的“真空”,我们将其定为能量零点,无法对外输出有用的净能量。另一方面,从整体上看 A 与 B 之间存在量子纠缠。首先对 A 实施测量,我们需要对它输入能量 EA 。测量结果出来后,假设 A 的态处于 α ,由于 A 与 B 之间的量子纠缠,B 将处于某个依赖于 α 的局域态。通过经典通信把测量结果 α 告知 B 之后,就可以再用局域操作 U(α) 让 B 系统变换到能量为 -EB 的状态,与此同时 B 系统释放出能量,也就是我们从 B 中取出了净能量 EB 。这整个过程看起来就像是对我们对子系统 A 注入能量 EA ,经过量子隐形能量传输,在远方的 B 系统中取出了的能量,通常 EB 小于 EA 。
在实验中,他们先将两个原子制备到某种能量最低的基态:强局域被动态(strong local passive state),对其中任何一个原子进行任意局域操作都无法取出能量,且原子间有量子纠缠。然后他们对原子 A 与辅助原子 C 施加脉冲,打开它们之间的耦合,使辅助原子 C 获得原子 A 的部分信息,并确保此操作不会改变原子 B 的能量。然后把原子 C 与原子 B 之间的耦合打开,这等价于把原子 A 的信息传递给 B 。在这一系列操作之后,我们就可以用局域操作从原子 B 中获得能量了。上述实验步骤只需 37 毫秒就可以完成,而能量从 A 传输到 B 原子所需要的时间需要一秒钟,远长于实验时间。此论文已被《物理评论快报》(PRL)接收[6]。在此实验贴到预印本网站后过了 8 个月,另外一位学者基于 IBM 量子云平台,也独立实现了量子隐形传输能量的验证[7]。