П’ятниця, 23 Лютого, 2024

Енергія із повітря без дротів: фізики показали, що електрику можна передавати по квантовим флуктуаціям вакууму

Зазирніть на будь-який сайт любителів псевдонауки і ви обов’язково наштовхнетеся на історію, як Нікола Тесла придумав технологію отримання енергії з повітря, але геніального науковця зацькували  і тепер людство втратило цю технологію. Проте ідея отримувати енергію з повітря не є абсолютно дивацькою. Ще в 2008 році фізики запропонували протокол телепортації квантової енергії. Хоча тоді це дослідження здебільшого проігноровали. Тепер два незалежних експерименти показали, що це працює. Ця демонстрація, здається, суперечить фізичним законам і здоровому глузду. Адже це означає, що можна видобувати електрику буквально з повітря.

«Ви не можете витягти енергію безпосередньо з вакууму, тому що там нема чого віддавати», — сказав Вільям Анру , фізик-теоретик з Університету Британської Колумбії, описуючи стандартний спосіб мислення.

Але 15 років тому Масахіро Хотта, фізик-теоретик з Університету Тохоку в Японії, припустив, що, можливо, вакуум насправді можна було б змусити віддавати.

Спочатку багато дослідників ігнорували цю роботу, підозрюючи, що отримання енергії з вакууму було в кращому випадку неправдоподібним. Однак ті, хто придивився ближче, зрозуміли, що Хотта пропонував цікавий квантовий трюк. Енергія не була безкоштовною; її потрібно було розблокувати за допомогою знань, придбаних за енергію у віддаленому місці. З цієї точки зору процедура Хотти виглядала не так як створення, а більше як телепортація енергії з одного місця в інше — дивна, але менш революційна ідея.

«Це був справжній сюрприз, — сказав Анру, який співпрацював з Хоттою, але не брав участі в дослідженнях телепортації енергії. – Це дійсно чудовий результат, який він виявив».

Тепер, минулого року, дослідники телепортували енергію на мікроскопічні відстані у двох окремих квантових пристроях, підтверджуючи теорію Хотти. Дослідження не залишає сумнівів у тому, що телепортація енергії є справжнім квантовим явищем.

«Це дійсно тестує теорію, — сказав Сет Ллойд , квантовий фізик з Массачусетського технологічного інституту, який не брав участі в дослідженні. – Ви насправді телепортуєтесь. Ви добуваєте енергію».

Скільки кредиту

Першим скептиком квантової телепортації енергії був сам Хотта. У 2008 році він шукав спосіб вимірювання сили своєрідного квантово-механічного зв’язку, відомого як заплутаність, де два або більше об’єктів поділяють єдиний квантовий стан, який змушує їх поводитися однаково, навіть коли вони розділені величезними відстанями.

Визначальною особливістю заплутування є те, що ви повинні створити заплутану пару одразу. Ви не можете спроектувати пов’язану поведінку, возячись з одним і іншим об’єктом незалежно, навіть якщо ви зателефонуєте другові в іншому місці та розкажете йому, що ви зробили.

Вивчаючи чорні діри, Хотта прийшов до підозри, що екзотичне явище в квантовій теорії — негативна енергія — може бути ключем до вимірювання заплутаності. Чорні діри зменшуються, виділяючи випромінювання, сплутане з їх внутрішньою частиною. Цей процес також можна розглядати як чорну діру, яка поглинає порції негативної енергії. Хотта зазначив, що негативна енергія та заплутаність, здається, тісно пов’язані. Щоб зміцнити свою точку зору, він вирішив довести, що негативна енергія, як-от заплутаність, не може бути створена незалежними діями в різних місцях.

Хотта, на свій подив, виявив, що проста послідовність подій може фактично змусити квантовий вакуум стати негативним — втрачати енергію, якої він, здається, не мав. «Спочатку я подумав, що помилився, — сказав він, — Тому я ще раз порахував і перевірив свою логіку. Але я не міг знайти жодного недоліку».

Проблема виникає через химерну природу квантового вакууму, який є своєрідним типом нічого, що небезпечно наближається до схожості на щось. Принцип невизначеності забороняє будь-якій квантовій системі перейти в абсолютно спокійний стан із рівно нульовою енергією.

У результаті навіть вакуум повинен завжди тріщати від флуктуацій у квантових полях, які його заповнюють. Ці нескінченні коливання наповнюють кожне поле певною мінімальною кількістю енергії, відомою як енергія нульової точки.

Фізики кажуть, що система з такою мінімальною енергією знаходиться в основному стані. Система в базовому стані трохи схожа на автомобіль, припаркований на вулицях міста. Хоча він значно вище рівня моря, він не може опуститися нижче.

І все ж Хотта ніби знайшов підземний гараж, що дозволяє нашому уявному автомобілю опинитися нижче рівня моря. Він зрозумів, що для того, щоб розблокувати ворота цього гаража, йому потрібно лише використати внутрішню заплутаність у тріскоті квантового поля.

Безперервні флуктуації вакууму не можуть бути використані для живлення вічного двигуна, скажімо, тому що флуктуації в даному місці абсолютно випадкові. Якщо ви уявите, що під’єднуєте гіпотетичну квантову батарею до вакууму, половина коливань буде заряджати пристрій, а інша половина розряджатиме його.

Але квантові поля заплутані — коливання в одній точці мають тенденцію збігатися з флуктуаціями в іншій точці. У 2008 році Хотта опублікував статтю, в якій описав, як двоє фізиків, Аліса та Боб, можуть використати ці кореляції , щоб отримати енергію з основного стану, що оточує Боба.

Схема виглядає приблизно так:

Боб відчуває потребу в енергії — він хоче зарядити цю гіпотетичну квантову батарею, — але все, до чого він має доступ, — це порожній простір. На щастя, його друг Аліса має повністю обладнану фізичну лабораторію у віддаленому місці. Аліса вимірює поле у своїй лабораторії, вводячи в нього енергію та дізнаючись про його коливання. Цей експеримент виводить загальне поле з основного стану, але, наскільки може судити Боб, його вакуум залишається в стані мінімальної енергії, випадково коливаючись.

Але потім Аліса надсилає Бобу повідомлення про свої висновки про вакуум навколо її місця. Цим вона, по суті каже Бобу, коли підключати акумулятор. Після того, як Боб прочитає її повідомлення, він може використати нові знання, щоб підготувати експеримент, який витягає енергію з вакууму у тій кількості, яку вводить Аліса.

«Ця інформація дозволяє Бобу, якщо ви хочете, визначити час коливань», — сказав Едуардо Мартін-Мартінес , фізик-теоретик з Університету Ватерлоо та Інституту Периметра, який працював над одним із нових експериментів. Він додав, що поняття часу є більш метафоричним, ніж буквальним, через абстрактну природу квантових полів.

Боб не може отримати більше енергії, ніж витратила Аліса, тому енергія зберігається. І йому не вистачає необхідних знань, щоб отримати енергію, поки не прийде текст Аліси, тому жоден ефект не поширюється швидше за світло. Протокол не порушує жодних священних фізичних принципів.

Тим не менш, публікацію Хотта зустріли з недовірою. Машини, які використовують нульову енергію вакууму, є основою наукової фантастики, і фізики уже втомилися від безумних пропозицій щодо таких пристроїв. Але Хотта був упевнений, що він на щось натрапив, і продовжував розвивати свою ідею та просувати її в переговорах. Він отримав подальше підбадьорення від Унру, який став відомим відкриттям іншої дивної поведінки вакууму.

«Такі речі для мене є майже другою натурою, — сказав Унру, — що з квантовою механікою можна робити дивні речі».

Хотта також шукав спосіб перевірити свою теорію. Він зв’язався з Го Юсою, експериментатором, який спеціалізується на конденсованих речовинах з Університету Тохоку. Вони запропонували експеримент у напівпровідниковій системі з заплутаним основним станом, аналогічним електромагнітному полю.

Але їхні дослідження неодноразово відкладалися через різного роду проблеми. Незабаром після того, як їхній перший експеримент було профінансовано, землетрус і цунамі в Тохоку в березні 2011 року спустошили східне узбережжя Японії, включно з Університетом Тохоку. За останні роки подальші поштовхи двічі пошкодили делікатне лабораторне обладнання. Сьогодні вони знову починають практично з нуля.

Здійснення стрибка

Згодом ідеї Хотти прижилися й у менш сейсмонебезпечній частині земної кулі. За пропозицією Унру Хотта прочитав лекцію на конференції 2013 року в Банфі, Канада. Розмова захопила уяву Мартіна-Мартінеса. «Його розум працює не так, як у всіх інших, — сказав Мартін-Мартінес. – Він людина, яка має багато нестандартних ідей, які є надзвичайно креативними».

Мартін-Мартінес, який напівсерйозно називає себе «інженером простору-часу», давно відчував потяг до фізики на краю наукової фантастики. Він мріє знайти фізично правдоподібні способи створення червоточин, варп-приводів і машин часу. Кожне з цих екзотичних явищ становить химерну форму простору-часу, яка допускається надзвичайно зручними рівняннями загальної теорії відносності. Але вони також заборонені так званими енергетичними умовами, які відомі фізики Роджер Пенроуз і Стівен Хокінг наклали на поверхню загальної теорії відносності, щоб не дати теорії показати свою дику сторону.

Головна заповідь ідей Хокінга-Пенроуза полягає в тому, що щільність негативної енергії заборонена. Але, слухаючи презентацію Хотти, Мартін-Мартінес зрозумів, що занурення нижче основного стану трохи пахне тим, що робить енергію негативною. Концепція була дуже спокусливою, особливо для шанувальника серіалу Star Trek , і він занурився в роботу Хотти.

Невдовзі він зрозумів, що телепортація енергії може допомогти вирішити проблему, з якою зіткнулися деякі його колеги з квантової інформації, зокрема Раймонд Лафламм, фізик з Ватерлоо, і Найелі Родрігес-Бріонес, на той час студентка Лафламме.

У пари була більш приземлена мета: взяти кубіти, будівельні блоки квантових комп’ютерів, і зробити їх якомога холоднішими. Холодні кубіти — це надійні кубіти, але група зіткнулася з теоретичною межею, за якою здавалося неможливим відводити більше тепла.

У своєму першому зверненні до групи Лафламма Мартін-Мартінез зіткнувся з багатьма скептичними запитаннями. Але коли він відповів на їхні сумніви, вони стали сприйнятливішими. Вони почали вивчати квантову телепортацію енергії, а в 2017 році запропонували метод відведення енергії від кубітів, щоб зробити їх холоднішими, ніж дозволяла будь-яка інша відома на той час технологія. Незважаючи на це, «це все була теорія, — сказав Мартін-Мартінес. – Експерименту не було».

Мартін-Мартінес і Родрігес-Бріонес разом з Лафламмом і експериментатором Хемантом Катіяром вирішили це змінити.

Вони звернулися до технології, відомої як ядерний магнітний резонанс, яка використовує потужні магнітні поля та радіоімпульси для маніпулювання квантовими станами атомів у великій молекулі. Група витратила кілька років на планування експерименту, а потім протягом кількох місяців Катіяр організував телепортацію енергії між двома атомами вуглецю, які грали роль Аліси та Боба.

По-перше, тонко налаштована серія радіоімпульсів переводить атоми вуглецю в певний основний стан з мінімальною енергією, що характеризується заплутаністю між двома атомами. Енергія нульової точки для системи була визначена початковою спільною енергією Аліси, Боба та зв’язку між ними.

Потім вони випустили один радіоімпульс на Алісу та третій атом, одночасно вимірявши положення Аліси та передавши інформацію в атомарне «текстове повідомлення».

Нарешті, ще один імпульс, спрямований як на Боба, так і на проміжний атом, одночасно передав повідомлення Бобу та виконав там вимірювання, завершивши енергетичну хитрість.

Вони повторювали процес багато разів, роблячи багато вимірювань на кожному кроці таким чином, що дозволяло їм реконструювати квантові властивості трьох атомів протягом всієї процедури. Зрештою вони підрахували, що енергія атома вуглецю Боба в середньому зменшилася, і таким чином ця енергія була вилучена та випущена в навколишнє середовище. Це сталося незважаючи на те, що атом Боба завжди починався в основному стані.

Від початку до кінця протокол зайняв не більше 37 мілісекунд. Але щоб енергія потрапила з одного боку молекули на інший, зазвичай потрібно було б у 20 разів довше — майже ціла секунда. Енергія, витрачена Алісою, дозволила Бобу відкрити недоступну енергію.

«Було дуже чудово бачити, що за допомогою сучасних технологій можна спостерігати активацію енергії», — сказав Родрігес-Бріонес, який зараз працює в Каліфорнійському університеті в Берклі.

Вони описали першу демонстрацію квантової телепортації енергії в препринті, який вони опублікували в березні 2022 року. Дослідження було прийнято для публікації в Physical Review Letters.

Друга демонстрація відбудеться через 10 місяців.

За кілька днів до Різдва Казукі Ікеда, дослідник квантових обчислень з Університету Стоуні Брук, дивився відео на YouTube, у якому згадувалося про бездротову передачу енергії. Він цікавився, чи можна зробити щось подібне квантово-механічним шляхом. Тоді він згадав роботу Хотти — Хотта був одним із його професорів, коли він був студентом Університету Тохоку — і зрозумів, що може запустити протокол телепортації квантової енергії на платформі квантових обчислень IBM.

Протягом наступних кількох днів він написав і віддалено виконав саме таку програму. Експерименти підтвердили, що кубіт Боба впав нижче основного стану. До 7 січня він опублікував свої результати в препринті.

Майже через 15 років після того, як Хотта вперше описав енергетичну телепортацію, дві прості демонстрації менш ніж за рік довели, що це можливо.

«Експериментальні статті зроблені чудово, — сказав Ллойд. – Я був трохи здивований, що ніхто не зробив це раніше».

Науково-фантастичні мрії

І все ж Хотта ще не повністю задоволений.

Він хвалить експерименти як важливий перший крок. Але він розглядає їх як квантове моделювання в тому сенсі, що заплутана поведінка запрограмована в основний стан — або через радіоімпульси, або через квантові операції в пристроях IBM. Його амбіція полягає в тому, щоб зібрати енергію нульової точки із системи, основний стан якої природним чином характеризується заплутаністю так само, як це роблять фундаментальні квантові поля, які пронизують Всесвіт.

З цією метою він і Юса продовжують свій оригінальний експеримент. У найближчі роки вони сподіваються продемонструвати квантову телепортацію енергії на кремнієвій поверхні, що має крайові струми з внутрішньо заплутаним основним станом — система з поведінкою, ближчою до поведінки електромагнітного поля.

Тим часом кожен фізик має власне бачення того, чим може бути корисна телепортація енергії. Родрігес-Бріонес підозрює, що окрім допомоги у стабілізації квантових комп’ютерів, він продовжуватиме відігравати важливу роль у вивченні тепла, енергії та заплутаності в квантових системах. Наприкінці січня Ікеда опублікував ще одну статтю , в якій детально описано, як створити телепортацію енергії в новонародженому квантовому інтернеті.

Мартін-Мартінес продовжує втілювати свої науково-фантастичні мрії. Він об’єднався з Еріком Шнеттером , експертом із моделювання загальної теорії відносності в Інституті Периметра, щоб точно розрахувати, як простір-час відреагує на конкретні схеми негативної енергії.

Деякі дослідники вважають його пошуки інтригуючими. «Це похвальний гол, – сказав Ллойд, усміхнувшись. – У певному сенсі було б науково безвідповідальним не продовжити це. Щільність негативної енергії має дуже важливі наслідки».

Інші застерігають, що шлях від негативних енергій до екзотичних форм простору-часу звивистий і непевний. «Наша інтуїція щодо квантових кореляцій все ще розвивається, — сказав Унру. – Людина постійно дивується тому, що насправді відбувається, коли ви можете зробити обчислення».

Хотта, зі свого боку, не витрачає надто багато часу на роздуми про ліплення простору-часу. Наразі він відчуває задоволення, що його розрахунок квантової кореляції з 2008 року встановив справжнє фізичне явище.

«Це справжня фізика, — сказав він, — а не наукова фантастика».

За матеріалами: Wired

 

 

 

НАПИСАТИ ВІДПОВІДЬ

Коментуйте, будь-ласка!
Будь ласка введіть ваше ім'я

Євген
Євген
Євген пише для TechToday з 2012 року. Інженер за освітою. Захоплюється реставрацією старих автомобілів.

Vodafone

Залишайтеся з нами

10,052Фанитак
1,445Послідовникислідувати
105Абонентипідписуватися