量子テレポーテーションエネルギー: 真空からエネルギーを抽出することは現実的か?

それはまるでSFのようで、ある場所からの真空エネルギーが目に見えない形で遠く離れた場所に伝達されます。

著者：Yin Zhangqi （北京理工大学）

上の写真の左側: 真空状態では自由エネルギーを抽出することはできません。上図右：量子テレポーテーションエネルギーの概念図。 3 枚目の写真: 量子テレポーテーションエネルギー方式の概略図。画像出典：参考文献[1]

エネルギーの量子テレポーテーションは、真空のゼロ点エネルギーの開発と利用を必要とするため、非常に非正統的であると思われます。対照的に、同様の概念は SF 小説に豊富に存在します。そのため、この論文がPhysical Review D（PRD）[2]に掲載された後も、あまり注目されませんでした。しかし、堀田正弘氏はこのアイデアを発展させることにこだわりました。 2011年、彼と彼の同僚は、量子ホール効果を利用して目に見えない量子エネルギー伝送を実現できると提案し、幸運にも資金援助を申請しました。しかし残念なことに、2011年の東日本大震災とそれに続く津波に見舞われ、実験施設は破壊されてしまいました。

2013年、堀田正弘はカナダでの報告に招かれ、カナダのウォータールー大学IQC研究所のマルティン・マルティネスらにこのアイデアを伝え、彼らの興味を引いた。彼らはすぐに、エネルギーの量子テレポーテーションのアイデアが量子コンピューティング技術の向上に役立つ可能性があることを発見しました。量子コンピュータを開発する際、重要な技術の一つは量子ビットの初期化ですが、真空の揺らぎによる限界に直面しています。彼らは量子テレポーテーションのアイデアを利用して、2017年に量子ビットを初期化するための理論的スキームを提案した[4]。長年にわたる実験技術の改良を経て、最近、ついに核磁気共鳴システムにおけるエネルギーの量子テレポーテーションが実験的に検証されました。 [5]

実験では、まず2つの原子を特定の最低エネルギー基底状態、つまり強い局所的不活性状態に準備しました。どちらの原子に対しても局所的な操作からエネルギーを抽出することはできず、原子間には量子のもつれが存在します。次に、原子Aと補助原子Cにパルスを印加し、それらの間の結合をオンにして、補助原子Cが原子Aに関する情報を取得できるようにしました。ただし、この操作によって原子Bのエネルギーが変化しないようにしました。次に、原子Cと原子Bの間の結合をオンにします。これは、原子Aの情報を原子Bに転送することと同等です。この一連の操作の後、ローカル操作を使用して原子Bからエネルギーを取得できます。上記の実験手順はわずか37ミリ秒で完了しますが、原子Aから原子Bにエネルギーが転送されるのに必要な時間は1秒で、実験時間よりもはるかに長くなります。この論文はPhysical Review Letters（PRL）[6]に受理されました。この実験がプレプリントウェブサイトに掲載されてから8か月後、別の学者がIBM量子クラウドプラットフォームに基づいてエネルギーの量子テレポーテーションを独立して検証しました[7]。

エネルギーの量子テレポーテーションが検証されるまでに15年かかりましたが、現在の実験はあまり満足のいくものではありません。理論的な観点から言えば、それは単なる一種の量子シミュレーションです。堀田正弘教授は、シリコンベースのシステム（自然に量子もつれを持つ）のエッジ電流に基づくエネルギーの量子テレポーテーションを実現するために、凝縮系に基づく実験スキームをさらに開発するために協力しています。量子テレポーテーションエネルギーの理論は、ブラックホール物理学や曲がった時空の量子場理論などの分野でも潜在的な応用価値を持っています。

参考文献

[1] http://www.tuhep.phys.tohaku.ac.jp/~hotta/extended-version-qet-review.pdf

[2] http://www.tuhep.phys.tohaku.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

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