Загляните на любой сайт любителей псевдонауки и вы обязательно столкнетесь с историей, как Никола Тесла придумал технологию получения энергии из воздуха, но гениального ученого затравили и теперь человечество потеряло эту технологию. Однако идея получать энергию из воздуха не является абсолютно странной. Еще в 2008 году физики предложили протокол телепортации квантовой энергии. Хотя тогда это исследование в большинстве своем проигнорировали. Теперь два независимых эксперимента показали, что это работает. Эта демонстрация, кажется, противоречит физическим законам и здравому смыслу. Ведь это значит, что можно добывать электричество буквально из воздуха.
«Вы не можете извлечь энергию непосредственно из вакуума, потому что там нечего отдавать», — сказал Уильям Анру, физик-теоретик из Университета Британской Колумбии, описывая стандартный образ мышления.
Но 15 лет назад Масахиро Хотта, физик-теоретик из Университета Тохока в Японии, предположил, что, возможно, вакуум действительно можно было бы заставить отдавать.
Сначала многие исследователи игнорировали эту работу, подозревая, что получение энергии из вакуума было в лучшем случае неправдоподобным. Однако присмотревшиеся ближе поняли, что Хотта предлагал интересный квантовый трюк. Энергия не была бесплатной; Ее нужно было разблокировать с помощью знаний, приобретенных за энергию в отдаленном месте. С этой точки зрения процедура Хотты выглядела не столько как создание, сколько как телепортация энергии из одного места в другое — странная, но менее революционная идея.
«Это был настоящий сюрприз, — сказал Анру, сотрудничавший с Хоттой, но не участвовавший в исследованиях телепортации энергии. – Это действительно отличный результат, который он обнаружил».
Теперь в прошлом году исследователи телепортировали энергию на микроскопические расстояния в двух отдельных квантовых устройствах, подтверждая теорию Хотты. Исследование не оставляет сомнений в том, что телепортация энергии является подлинным квантовым явлением.
«Это действительно тестирует теорию, — сказал Сет Ллойд, квантовый физик из Массачусетского технологического института, не участвовавший в исследовании. — Вы действительно телепортируетесь. Вы добываете энергию».
Сколько кредита
Первым скептиком квантовой телепортации энергии был сам Хотта. В 2008 году он искал способ измерения силы своеобразной квантово-механической связи, известной как запутанность, где два или более объектов разделяют единое квантовое состояние, заставляющее их вести себя одинаково, даже когда они разделены огромными расстояниями.
Определяющей особенностью запутывания является то, что вы должны создать запутанную пару сразу. Вы не можете спроектировать связанное поведение, возясь с одним и другим объектом независимо, даже если вы позвоните другу в другом месте и расскажете ему, что вы сделали.
Изучая черные дыры, Хотта пришел к подозрению, что экзотическое явление в квантовой теории – негативная энергия – может являться ключом к измерению запутанности. Черные дыры уменьшаются, выделяя излучение, спутанное с их внутренней частью. Этот процесс также можно рассматривать как черную дыру, поглощающую порции отрицательной энергии. Хотта отметил, что негативная энергия и запутанность, похоже, тесно связаны. Чтобы укрепить свою точку зрения, он решил доказать, что отрицательная энергия, например запутанность, не может быть создана независимыми действиями в разных местах.
Хотта, к своему удивлению, обнаружил, что простая последовательность событий может фактически заставить квантовый вакуум стать отрицательным — терять энергию, которой он, кажется, не обладал. «Сначала я подумал, что ошибся, – сказал он, – Поэтому я еще раз посчитал и проверил свою логику. Но я не мог найти ни одного недостатка».
Проблема возникает из-за причудливой природы квантового вакуума, который является своеобразным типом ничего, что опасно приближается к сходству на что-то. Принцип неопределенности запрещает любой квантовой системе перейти в совершенно спокойное состояние с ровно нулевой энергией.
В результате даже вакуум должен всегда трещать от флуктуаций в квантовых полях, которые его заполняют. Эти бесконечные колебания наполняют каждое поле определенным минимальным количеством энергии, известным как энергия нулевой точки.
Физики говорят, что система с такой минимальной энергией находится в основном состоянии. Система в базовом состоянии чуть-чуть похожа на автомобиль, припаркованный на улицах города. Хотя он значительно выше уровня моря, он не может опуститься ниже.
И все же Хотта словно нашел подземный гараж, позволяющий нашему воображаемому автомобилю оказаться ниже уровня моря. Он понял, что для того чтобы разблокировать ворота этого гаража, ему нужно лишь использовать внутреннюю запутанность в треске квантового поля.
Непрерывные флуктуации вакуума не могут быть использованы для питания вечного двигателя, скажем, потому что флуктуации в данном месте совершенно случайны. Если вы представите, что подсоединяете гипотетическую квантовую батарею к вакууму, половина колебаний будет заряжать устройство, а другая половина будет разряжать его.
Но квантовые поля запутаны – колебания в одной точке имеют тенденцию совпадать с флуктуациями в другой точке. В 2008 году Хотта опубликовал статью, в которой описал, как два физика, Алиса и Боб, могут использовать эти корреляции, чтобы получить энергию из основного состояния, окружающего Боба.
Схема выглядит примерно так:
Боб чувствует потребность в энергии — он хочет зарядить эту гипотетическую квантовую батарею, но все, к чему он имеет доступ, — это пустое пространство. К счастью, его друг Алиса имеет полностью оборудованную физическую лабораторию в отдаленном месте. Алиса измеряет поле в своей лаборатории, вводя в него энергию и узнавая его колебания. Этот опыт выводит общее поле из основного состояния, но, как может судить Боб, его вакуум остается в состоянии малой энергии, случаем колеблясь.
Но потом Алиса посылает Бобу сообщения о своих выводах о вакууме вокруг ее места. Этим она, по сути, говорит Бобу, когда подключать аккумулятор. После того, как Боб прочтет ее сообщение, он может использовать новые знания, чтобы подготовить эксперимент, извлекающий энергию из вакуума в том количестве, которое вводит Алиса.
«Эта информация позволяет Бобу, если вы хотите, определить время колебаний», — сказал Эдуардо Мартин-Мартинес, физик-теоретик из Университета Ватерлоо и Института Периметра, работавший над одним из новых экспериментов. Он добавил, что понятие времени является более метафорическим, чем буквальным, из-за абстрактной природы квантовых полей.
Боб не может получить больше энергии, чем потратила Алиса, потому энергия сохраняется. И ему не хватает необходимых знаний, чтобы получить энергию, пока не придет текст Алисы, поэтому ни один эффект не распространяется быстрее света. Протокол не нарушает никаких священных физических принципов.
Тем не менее, публикацию Хотта встретили с недоверием. Машины, использующие нулевую энергию вакуума, являются основой научной фантастики, и физики уже устали от безумных предложений по таким устройствам. Но Хотта был уверен, что он что-то натолкнулся, и продолжал развивать свою идею и продвигать ее в переговорах. Он получил дальнейшее ободрение от Унру, ставшего известным открытием другого странного поведения вакуума.
«Такие вещи для меня почти вторая натура, — сказал Унру, — что с квантовой механикой можно делать странные вещи».
Хотта тоже искал способ проверить свою теорию. Он связался с Го Юссой, экспериментатором, специализирующимся на конденсированных веществах из Университета Тохока. Они предложили эксперимент в полупроводниковой системе с запутанным основным состоянием, аналогичным электромагнитному полю.
Но их исследования неоднократно откладывались из-за разного рода проблем. Вскоре после того, как их первый эксперимент был профинансирован, землетрясение и цунами в Тохоке в марте 2011 года опустошили восточное побережье Японии, включая Университет Тохока. В последние годы дальнейшие толчки дважды повредили деликатное лабораторное оборудование. Сегодня они снова начинают практически с нуля.
Совершение прыжка
Впоследствии идеи Хотты прижились и в менее сейсмоопасной части земного шара. По предложению Унру Хотта прочитал лекцию на конференции 2013 года в Банфе, Канада. Разговор захватил воображение Мартина-Мартинеса. «Его разум работает не так, как у всех остальных, – сказал Мартин-Мартинес. — Он человек, который имеет много нестандартных идей, которые чрезвычайно креативны».
Мартин-Мартинес, полусерьезно называющий себя «инженером пространства-времени», давно испытывал тягу к физике на краю научной фантастики. Он мечтает найти физически правдоподобные способы создания червоточинов, варп-приводов и машин времени. Каждое из этих экзотических явлений составляет причудливую форму пространства-времени, допускаемую чрезвычайно удобными уравнениями общей теории относительности. Но они также запрещены так называемыми энергетическими условиями, известные физике Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг наложили на поверхность общей теории относительности, чтобы не дать теории показать свою дикую сторону.
Главная заповедь идей Хокинга-Пенроуза состоит в том, что плотность отрицательной энергии запрещена. Но, слушая презентацию Хотты, Мартин-Мартинес понял, что погружение ниже основного состояния немного пахнет тем, что делает энергию отрицательной. Концепция была очень соблазнительной, особенно для поклонника сериала Star Trek, и он погрузился в работу Хотты.
Вскоре он понял, что телепортация энергии может помочь решить проблему, с которой столкнулись некоторые его коллеги по квантовой информации, в частности Раймонд Лафламм, физик из Ватерлоо, и Найэли Родригес-Брионес, в то время студентка Лафламме.
У пары была более приземленая цель: взять кубиты, строительные блоки квантовых компьютеров, и сделать их похолоднее. Холодные кубиты – это надежные кубиты, но группа столкнулась с теоретическим пределом, за которым казалось невозможным отводить больше тепла.
В своем первом обращении к группе Лафламма Мартин-Мартинез столкнулся со многими скептическими вопросами. Но когда он ответил на их сомнения, они стали более восприимчивыми. Они начали изучать квантовую телепортацию энергии, а в 2017 году предложили метод отвода энергии от кубитов, чтобы сделать их холоднее, чем позволяла любая другая известная в то время технология. Несмотря на это, «это все была теория, – сказал Мартин-Мартинес. – Эксперимента не было».
Мартин-Мартинес и Родригес-Брионес вместе с Лафламмом и экспериментатором Хемантом Катияром решили это изменить.
Они обратились к технологии, известной как ядерный магнитный резонанс, использующей мощные магнитные поля и радиоимпульсы для манипулирования квантовыми состояниями атомов в большой молекуле. Группа потратила несколько лет на планирование эксперимента, а затем несколько месяцев Катияр организовал телепортацию энергии между двумя атомами углерода, которые играли роль Алисы и Боба.
Во-первых, тонко настроенная серия радиоимпульсов переводит атомы углерода в определенное основное состояние с минимальной энергией, характеризующееся запутанностью между двумя атомами. Энергия нулевой точки для системы была определена начальной общей энергией Алисы, Боба и связи между ними.
Затем они выпустили один радиоимпульс на Алису и на третий атом, одновременно измерив положение Алисы и передав информацию в атомарное «текстовое сообщение».
Наконец еще один импульс, направленный как на Боба, так и на промежуточный атом, одновременно передал сообщение Бобу и выполнил там измерения, завершив энергетическую хитрость.
Они повторяли процесс многократно, производя много измерений на каждом шагу таким образом, что позволяло им реконструировать квантовые свойства трех атомов в течение всей процедуры. В конце концов, они подсчитали, что энергия атома углерода Боба в среднем уменьшилась, и таким образом эта энергия была изъята и выпущена в окружающую среду. Это произошло, несмотря на то, что атом Боба всегда начинался в основном состоянии.
От начала до конца протокол занял не более 37 миллисекунд. Но чтобы энергия попала с одной стороны молекулы на другую, обычно нужно было в 20 раз дольше — почти целую секунду. Энергия, израсходованная Алисой, позволила Бобу открыть недоступную энергию.
«Было очень здорово видеть, что с помощью современных технологий можно наблюдать активацию энергии», — сказал Родригес-Брионес, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Беркли.
Они описали первую демонстрацию квантовой телепортации энергии в препринте, опубликованном в марте 2022 года. Исследование было принято для публикации в Physical Review Letters.
Вторая демонстрация состоится через 10 месяцев.
За несколько дней до Рождества Казуки Икеда, исследователь квантовых вычислений из Университета Стоуни Брук, смотрел видео на YouTube, в котором упоминалось о беспроводной передаче энергии. Он интересовался, можно ли сделать что-нибудь подобное квантово-механическим путем. Тогда он вспомнил работу Хотты – Хотта был одним из его профессоров, когда он был студентом Университета Тохока – и понял, что может запустить протокол телепортации квантовой энергии на платформе квантовых вычислений IBM.
В течение следующих нескольких дней он написал и отдаленно выполнил именно такую ??программу. Эксперименты подтвердили, что кубит Боба упал ниже основного состояния. До 7 января он обнародовал свои результаты в препринте.
Спустя почти 15 лет после того, как Хотта впервые описал энергетическую телепортацию, две простые демонстрации менее чем за год доказали, что это возможно.
«Экспериментальные статьи сделаны отлично, – сказал Ллойд. – Я был немного удивлен, что никто не сделал это раньше».
Научно-фантастические мечты
И все же Хотта еще не полностью доволен.
Он хвалит эксперименты как важный первый шаг. Но он рассматривает их как квантовое моделирование в том смысле, что запутанное поведение запрограммировано в основное состояние – либо через радиоимпульсы, либо через квантовые операции в устройствах IBM. Его амбиция состоит в том, чтобы собрать энергию нулевой точки из системы, основное состояние которой естественным образом характеризуется запутанностью так же, как это делают фундаментальные квантовые поля, пронизывающие Вселенную.
В этих целях он и Юса продолжают свой оригинальный эксперимент. В ближайшие годы они надеются продемонстрировать квантовую телепортацию энергии на кремниевой поверхности, имеющей краевые токи с внутренне запутанным основным состоянием – система с поведением, более близким к поведению электромагнитного поля.
Между тем, каждый физик имеет собственное видение того, чем может быть полезна телепортация энергии. Родригес-Брионес подозревает, что, кроме помощи в стабилизации квантовых компьютеров, он будет продолжать играть важную роль в изучении тепла, энергии и запутанности в квантовых системах. В конце января Икеда опубликовал еще одну статью, в которой подробно описано, как создать телепортацию энергии в новорожденном квантовом интернете.
Мартин-Мартинес продолжает воплощать свои научно-фантастические мечты. Он объединился с Эриком Шнеттером, экспертом по моделированию общей теории относительности в Институте Периметра, чтобы точно рассчитать, как пространство-время отреагирует на конкретные схемы отрицательной энергии.
Некоторые исследователи считают его поиски интригующими. «Это похвальный гол, – сказал Ллойд, улыбнувшись. – В определенном смысле было бы научно безответственным не продолжить это. Плотность отрицательной энергии имеет очень важные последствия».
Другие предостерегают, что путь от негативных энергий к экзотическим формам пространства-времени извилист и неуверен. «Наша интуиция по квантовым корреляциям все еще развивается, — сказал Унру. – Человек постоянно удивляется тому, что на самом деле происходит, когда вы можете произвести вычисления».
Хотта, со своей стороны, не тратит слишком много времени на размышления о лепке пространства-времени. Пока он испытывает удовлетворение, что его расчет квантовой корреляции с 2008 года установил настоящее физическое явление.
«Это настоящая физика, — сказал он, — а не научная фантастика».
По материалам: Wired
