Voor hun nieuwste goocheltruc hebben natuurkundigen het kwantumequivalent gedaan van het toveren van energie uit het niets. Het is een prestatie die in strijd lijkt te zijn met de natuurwetten en het gezond verstand.

“Je kunt geen energie rechtstreeks uit het vacuüm halen, omdat er niets te geven valt”, zegt hij Willem Unruh, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van British Columbia, die de standaardmanier van denken beschrijft.

Maar 15 jaar geleden, Masahiro Hotta, een theoretisch natuurkundige aan de Tohoku Universiteit in Japan, opperde dat het vacuüm misschien wel zou kunnen worden overgehaald om iets op te geven.

In eerste instantie negeerden veel onderzoekers dit werk, wantrouwend dat het op zijn best onwaarschijnlijk was om energie uit het vacuüm te halen. Degenen die het van dichterbij bekeken, realiseerden zich echter dat Hotta een subtiel andere kwantumstunt suggereerde. De energie was niet gratis; het moest worden ontsloten met behulp van kennis die met energie op een verre locatie was gekocht. Vanuit dit perspectief leek Hotta's procedure minder op creatie en meer op teleportatie van energie van de ene plaats naar de andere – een vreemd maar minder aanstootgevend idee.

“Dat was een echte verrassing”, zegt Unruh, die met Hotta heeft samengewerkt maar niet betrokken is geweest bij onderzoek naar energieteleportatie. "Het is een heel mooi resultaat dat hij ontdekte."

Het afgelopen jaar hebben onderzoekers energie over microscopische afstanden geteleporteerd in twee afzonderlijke kwantumapparaten, wat de theorie van Hotta bevestigt. Het onderzoek laat er weinig twijfel over bestaan ​​dat energieteleportatie een echt kwantumfenomeen is.

"Dit is echt een test", zei hij Set Lloyd, een kwantumfysicus aan het Massachusetts Institute of Technology die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Je bent eigenlijk aan het teleporteren. Je haalt er energie uit.”

Kwantumkrediet

De eerste scepticus van teleportatie van kwantumenergie was Hotta zelf.

In 2008 was hij op zoek naar een manier om de sterkte te meten van een bijzondere kwantummechanische verbinding die bekend staat als verstrikking, waarbij twee of meer objecten een verenigde kwantumtoestand delen, waardoor ze zich op verwante manieren gedragen, zelfs als ze door grote afstanden van elkaar gescheiden zijn. Een bepalend kenmerk van verstrengeling is dat je het in één klap moet creëren. Je kunt het bijbehorende gedrag niet manipuleren door onafhankelijk met het ene object en het andere te rommelen, zelfs als je een vriend op de andere locatie opbelt en hem vertelt wat je hebt gedaan.

Tijdens het bestuderen van zwarte gaten begon Hotta te vermoeden dat een exotische gebeurtenis in de kwantumtheorie – negatieve energie – de sleutel zou kunnen zijn tot het meten van verstrengeling. Zwarte gaten krimpen door straling uit te zenden die verstrengeld is met hun interieur, een proces dat ook gezien kan worden als het zwarte gat dat klodders negatieve energie opslokt. Hotta merkte op dat negatieve energie en verstrikking nauw met elkaar verbonden leken te zijn. Om zijn standpunt kracht bij te zetten, wilde hij bewijzen dat negatieve energie – net als verstrengeling – niet kan worden gecreëerd door onafhankelijke acties op verschillende locaties.

Hotta ontdekte tot zijn verbazing dat een simpele opeenvolging van gebeurtenissen er in feite voor kon zorgen dat het kwantumvacuüm negatief werd en energie opgaf die het niet leek te hebben. ‘Eerst dacht ik dat ik ongelijk had,’ zei hij, ‘dus ik heb het opnieuw berekend en mijn logica gecontroleerd. Maar ik kon geen enkel minpunt ontdekken.”

Het probleem komt voort uit de bizarre aard van het kwantumvacuüm eigenaardig soort niets dat gevaarlijk dicht in de buurt komt van het lijken op iets. Het onzekerheidsprincipe verbiedt welk kwantumsysteem dan ook om in een volkomen stille toestand van precies nul energie terecht te komen. Als gevolg hiervan moet zelfs het vacuüm altijd knetteren van fluctuaties in de kwantumvelden die het vullen. Deze eindeloze fluctuaties doordrenken elk veld met een minimale hoeveelheid energie, bekend als de nulpuntsenergie. Natuurkundigen zeggen dat een systeem met deze minimale energie zich in de grondtoestand bevindt. Een systeem in de grondtoestand lijkt een beetje op een auto die in de straten van Denver geparkeerd staat. Hoewel het ruim boven de zeespiegel ligt, kan het niet lager.

En toch leek Hotta een ondergrondse garage te hebben gevonden. Om de poort te ontsluiten, besefte hij, hoefde hij alleen maar gebruik te maken van een intrinsieke verstrengeling in het knetteren van het kwantumveld.

De onophoudelijke vacuümfluctuaties kunnen bijvoorbeeld niet worden gebruikt om een ​​perpetuum mobile aan te drijven, omdat de fluctuaties op een bepaalde locatie volkomen willekeurig zijn. Als je je voorstelt dat je een fantasievolle kwantumbatterij op het vacuüm aansluit, zou de helft van de fluctuaties het apparaat opladen, terwijl de andere helft het leeg zou laten lopen.

Maar kwantumvelden zijn met elkaar verweven: de fluctuaties op de ene plek komen vaak overeen met fluctuaties op een andere plek. In 2008 publiceerde Hotta een artikel waarin werd uiteengezet hoe twee natuurkundigen, Alice en Bob, maak gebruik van deze correlaties om energie uit de grondtoestand rond Bob te halen. Het schema gaat ongeveer zo.

Bob merkt dat hij energie nodig heeft – hij wil die fantasierijke kwantumbatterij opladen – maar het enige waartoe hij toegang heeft is lege ruimte. Gelukkig beschikt zijn vriendin Alice over een volledig uitgerust natuurkundig laboratorium op een afgelegen locatie. Alice meet het veld in haar laboratorium, injecteert er energie in en leert over de schommelingen ervan. Dit experiment haalt het hele veld uit de grondtoestand, maar voor zover Bob weet blijft zijn vacuüm in de minimale energietoestand en fluctueert het willekeurig.

Maar dan sms't Alice Bob haar bevindingen over het vacuüm rond haar locatie, en vertelt Bob in feite wanneer hij zijn batterij moet aansluiten. Nadat Bob haar bericht heeft gelezen, kan hij de nieuwe kennis gebruiken om een ​​experiment voor te bereiden waarbij energie uit het vacuüm wordt gehaald – tot de hoeveelheid die door Alice wordt geïnjecteerd.

“Met die informatie kan Bob, als je dat wilt, de schommelingen timen”, zegt hij Eduardo Martín-Martínez, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Waterloo en het Perimeter Institute die aan een van de nieuwe experimenten werkte. (Hij voegde eraan toe dat het begrip timing meer metaforisch dan letterlijk is, vanwege de abstracte aard van kwantumvelden.)

Bob kan niet meer energie onttrekken dan Alice erin heeft gestopt, dus er wordt energie bespaard. En hij beschikt niet over de nodige kennis om de energie te extraheren totdat de tekst van Alice arriveert, dus geen enkel effect reist sneller dan het licht. Het protocol schendt geen enkele heilige natuurkundige principe.

Niettemin stuitte Hotta's publicatie op krekels. Machines die gebruik maken van de nulpuntsenergie van het vacuüm zijn een steunpilaar van sciencefiction, en zijn werkwijze maakte natuurkundigen moe van het bedenken van gekke voorstellen voor dergelijke apparaten. Maar Hotta was ervan overtuigd dat hij iets op het spoor was, en dat bleef hij doen ontwikkelen zijn idee en promoot dit in gesprekken. Hij kreeg verdere aanmoediging van Unruh, die bekendheid had verworven door het ontdekken van een ander vreemd vacuümgedrag.

‘Dit soort dingen is bijna mijn tweede natuur,’ zei Unruh, ‘dat je vreemde dingen kunt doen met de kwantummechanica.’

Hotta zocht ook naar een manier om het te testen. Hij kwam in contact met Go Yusa, een experimentator gespecialiseerd in gecondenseerde materie aan de Tohoku Universiteit. Ze stelden een experiment voor in a halfgeleider systeem met een verstrengelde grondtoestand analoog aan die van het elektromagnetische veld.

Maar hun onderzoek is herhaaldelijk vertraagd door een ander soort fluctuatie. Kort nadat hun eerste experiment was gefinancierd, verwoestten de aardbeving en tsunami in Tohoku in maart 2011 de oostkust van Japan, inclusief de Tohoku Universiteit. De afgelopen jaren hebben verdere trillingen hun delicate laboratoriumapparatuur tweemaal beschadigd. Vandaag beginnen ze opnieuw feitelijk vanaf nul.

De sprong maken

Na verloop van tijd wortelden Hotta's ideeën ook in een minder aardbevingsgevoelig deel van de wereld. Op voorstel van Unruh gaf Hotta een lezing op een conferentie in Banff, Canada in 2013. De lezing sprak tot de verbeelding van Martín-Martínez. “Zijn geest werkt anders dan die van alle anderen”, zei Martín-Martínez. “Hij is een persoon met veel out-of-the-box ideeën die extreem creatief zijn.”

Martín-Martínez, die zichzelf half serieus noemt als ‘ruimte-tijdingenieur’, voelt zich al lang aangetrokken tot de natuurkunde aan de rand van sciencefiction. Hij droomt ervan fysiek plausibele manieren te vinden om wormgaten, warpdrives en tijdmachines te creëren. Elk van deze exotische verschijnselen komt neer op een bizarre vorm van ruimte-tijd die wordt toegestaan ​​door de uiterst meegaande vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Maar ze zijn ook verboden door zogenaamde energieomstandigheden, een handvol beperkingen die de beroemde natuurkundigen Roger Penrose en Stephen Hawking bovenop de algemene relativiteitstheorie hebben gelegd om te voorkomen dat de theorie zijn wilde kant laat zien.

Het belangrijkste van de Hawking-Penrose-geboden is dat negatieve energiedichtheid verboden is. Maar terwijl hij naar Hotta's presentatie luisterde, realiseerde Martín-Martínez zich dat het onderdompelen in de grond een beetje rook naar energie negatief maken. Het concept was catnip voor een fan van Star Trek technologieën, en hij dook in Hotta's werk.

Hij realiseerde zich al snel dat energieteleportatie zou kunnen helpen bij het oplossen van een probleem waarmee sommige van zijn collega's op het gebied van kwantuminformatie worden geconfronteerd Raymond Laflamme, een natuurkundige in Waterloo, en Nayeli Rodríguez-Briones, destijds de leerling van Laflamme. Het tweetal had een meer nuchter doel: qubits, de bouwstenen van kwantumcomputers, zo koud mogelijk maken. Koude qubits zijn betrouwbare qubits, maar de groep was een theoretische limiet tegengekomen waarboven het onmogelijk leek om nog meer warmte te onttrekken – net zoals Bob geconfronteerd werd met een vacuüm waaruit energiewinning onmogelijk leek.

In zijn eerste pitch voor de groep van Laflamme kreeg Martín-Martínez te maken met veel sceptische vragen. Maar naarmate hij hun twijfels besprak, werden ze ontvankelijker. Ze begonnen teleportatie van kwantumenergie te bestuderen, en in 2017 deden ze dat ook een methode voorgesteld om energie weg te leiden van qubits om ze kouder te laten dan welke andere bekende procedure ze dan ook zou kunnen maken. Toch ‘was het allemaal theorie’, zei Martín-Martínez. “Er was geen experiment.”

Martín-Martínez en Rodríguez-Briones, samen met Laflamme en een experimentator, Hemant Katiyar, wilde daar verandering in brengen.

Ze wendden zich tot een technologie die bekend staat als nucleaire magnetische resonantie, die krachtige magnetische velden en radiopulsen gebruikt om de kwantumtoestanden van atomen in een groot molecuul te manipuleren. De groep was een paar jaar bezig met het plannen van het experiment, en vervolgens, midden in de pandemie, regelde Katiyar gedurende een paar maanden om energie te teleporteren tussen twee koolstofatomen die de rollen van Alice en Bob speelden.

Ten eerste brengt een nauwkeurig afgestemde reeks radiopulsen de koolstofatomen in een bepaalde grondtoestand met minimale energie, met verstrengeling tussen de twee atomen. De nulpuntsenergie voor het systeem werd gedefinieerd door de initiële gecombineerde energie van Alice, Bob en de verstrengeling daartussen.

Vervolgens vuurden ze een enkele radiopuls af op Alice en een derde atoom, waarbij ze tegelijkertijd een meting deden op de positie van Alice en de informatie overbrachten naar een atomair ‘sms-bericht’.

Ten slotte zond een andere puls, gericht op zowel Bob als het tussenliggende atoom, tegelijkertijd de boodschap door naar Bob en voerde daar een meting uit, waarmee de energiefraude compleet was.

Ze herhaalden het proces vele malen en voerden bij elke stap veel metingen uit, op een manier die hen in staat stelde de kwantumeigenschappen van de drie atomen gedurende de hele procedure te reconstrueren. Uiteindelijk berekenden ze dat de energie van het Bob-koolstofatoom gemiddeld was afgenomen, en dat er dus energie was onttrokken en in het milieu was terechtgekomen. Dit gebeurde ondanks het feit dat het Bob-atoom altijd in zijn grondtoestand begon. Van begin tot eind duurde het protocol niet meer dan 37 milliseconden. Maar voordat energie van de ene kant van het molecuul naar de andere zou zijn gereisd, zou het normaal gesproken ruim twintig keer langer hebben geduurd – bijna een volle seconde. Dankzij de energie die Alice besteedde, kon Bob anders ontoegankelijke energie ontsluiten.

"Het was heel mooi om te zien dat het met de huidige technologie mogelijk is om de activering van energie waar te nemen", zegt Rodríguez-Briones, die nu verbonden is aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Ze beschreven de eerste demonstratie van teleportatie van kwantumenergie in een voorafdruk die ze in maart 2022 plaatsten; het onderzoek is inmiddels geaccepteerd voor publicatie in Physical Review Letters.

De tweede demonstratie zou 10 maanden later volgen.

Een paar dagen voor kerst, Kazuki Ikeda, een onderzoeker op het gebied van kwantumcomputers aan de Stony Brook University, keek naar een YouTube-video waarin draadloze energieoverdracht werd genoemd. Hij vroeg zich af of iets soortgelijks kwantummechanisch kon worden gedaan. Toen herinnerde hij zich Hotta's werk - Hotta was een van zijn professoren geweest toen hij nog studeerde aan de Tohoku Universiteit - en besefte dat hij een teleportatieprotocol voor kwantumenergie kon uitvoeren op het kwantumcomputerplatform van IBM.

De daaropvolgende dagen schreef hij precies zo'n programma en voerde het op afstand uit. De experimenten bevestigden dat de Bob-qubit onder zijn grondtoestandsenergie daalde. Op 7 januari was dat het geval plaatste zijn resultaten in een voordruk.

Bijna vijftien jaar nadat Hotta voor het eerst energieteleportatie beschreef, hadden twee eenvoudige demonstraties, minder dan een jaar na elkaar, bewezen dat het mogelijk was.

"De experimentele papieren zijn mooi gedaan", zei Lloyd. "Ik was enigszins verrast dat niemand het eerder deed."

Scifi-dromen

En toch is Hotta nog niet helemaal tevreden.

Hij prijst de experimenten als een belangrijke eerste stap. Maar hij beschouwt ze als kwantumsimulaties, in de zin dat het verstrengelde gedrag in de grondtoestand is geprogrammeerd – hetzij via radiopulsen, hetzij via kwantumoperaties in de apparaten van IBM. Zijn ambitie is om nulpuntsenergie te oogsten uit een systeem waarvan de grondtoestand van nature verstrengeling vertoont, op dezelfde manier als de fundamentele kwantumvelden die het universum doordringen.

Daartoe gaan hij en Yusa verder met hun oorspronkelijke experiment. In de komende jaren hopen ze kwantumenergieteleportatie te demonstreren in een siliciumoppervlak met randstromen met een intrinsiek verstrengelde grondtoestand – een systeem met een gedrag dat dichter bij dat van het elektromagnetische veld ligt.

In de tussentijd heeft elke natuurkundige zijn eigen visie op waar energieteleportatie goed voor zou kunnen zijn. Rodríguez-Briones vermoedt dat het niet alleen zal helpen bij het stabiliseren van kwantumcomputers, maar ook een belangrijke rol zal blijven spelen in de studie van warmte, energie en verstrengeling in kwantumsystemen. Eind januari, Ikeda nog een krant geplaatst waarin gedetailleerd werd beschreven hoe energieteleportatie in de ontluikende fase kan worden ingebouwd kwantum internet.

Martín-Martínez blijft zijn sciencefictiondromen najagen. Hij heeft samengewerkt met Erik Schnetter, een expert in simulaties van de algemene relativiteitstheorie aan het Perimeter Institute, om precies te berekenen hoe ruimte-tijd zou reageren op bepaalde arrangementen van negatieve energie.

Sommige onderzoekers vinden zijn zoektocht intrigerend. 'Dat is een lovenswaardig doel,' zei Lloyd grinnikend. “In zekere zin zou het wetenschappelijk onverantwoord zijn om hier geen vervolg aan te geven. Een negatieve energiedichtheid heeft hele belangrijke gevolgen.”

Anderen waarschuwen dat de weg van negatieve energieën naar exotische vormen van ruimte-tijd kronkelig en onzeker is. "Onze intuïtie voor kwantumcorrelaties wordt nog steeds ontwikkeld", zei Unruh. “Je wordt voortdurend verrast door wat er werkelijk aan de hand is als je eenmaal de berekening kunt maken.”

Hotta besteedt op zijn beurt niet veel tijd aan het nadenken over het vormgeven van ruimte-tijd. Voorlopig is hij blij dat zijn kwantumcorrelatieberekening uit 2008 een bonafide natuurkundig fenomeen heeft vastgesteld.

‘Dit is echte natuurkunde,’ zei hij, ‘geen sciencefiction.’