تله‌پورت کوانتومی؛ راهی برای برداشت انرژی کوانتومی از هیچ

فیزیک‌دان‌ها در آخرین ترفند جادویی خود برای برداشت انرژی کوانتومی از خلأ تلاش کردند. به نظر می‌رسد. چنین دستاوردی کاملا مغایر با قوانین فیزیک و حتی عقل سلیم به‌نظر می‌آید. به گفته‌ی ویلیام اونرو، فیزیکدان نظری دانشگاه بریتیش کلمبیا، نمی‌توان انرژی را به صورت مستقیم از خلأ بیرون کشید زیرا چیزی برای استخراج وجود ندارد.

اما به نوشته‌ی وب‌سایت وایرد، ماساهیرو هوتا، فیزیکدان نظری دانشگاه توهوکوی ژاپن، درست ۱۵ سال پیش نشان داد که خلأ چیزی در خود دارد. در ابتدا بسیاری از پژوهشگرها این نظریه را رد کردند چرا که برداشت انرژی از خلأ را حتی در بهترین حالت عملی نمی‌دانستند. بااین‌حال برخی افراد با بررسی دقیق‌تر متوجه شدند هوتا در واقع از نمایش کوانتومی متفاوتی صحبت می‌کند. بر اساس این نظریه، انرژی آزاد نیست. بلکه باید با استفاده از اطلاعاتی در موقعیت دوردست آزاد شود. از این دیدگاه رویه‌ی هوتا کمتر مانند تولید است و بیشتر به تله‌پورت انرژی از یک نقطه‌ به نقطه‌ای دیگر شباهت دارد.

پژوهشگرها در سال گذشته انرژی را از فاصله‌های میکروسکوپی در دو دستگاه کوانتومی تله‌پورت کردند و به‌این‌ترتیب نظریه‌ی هوتا را تأیید کردند. به گفته‌ی ست لوید، فیزیکدان کوانتومی دانشکده‌ی فناوری ماساچوست، این آزمایش فرضیه‌ی هوتا را آزمایش کرده است.

هوتا از اولین شک‌گرایان تله‌پورت کوانتومی بود. او در سال ۲۰۰۸ در جستجوی راهی برای اندازه‌گیری قدرت اتصال مکانیکی کوانتومی عجیب و غریبی موسوم به درهم‌تنیدگی بود که در آن دو یا چند شیء در یک وضعیت کوانتومی یکپارچه مشترک هستند که باعث می‌شود حتی در فواصل دوردست رفتار مرتبطی داشته باشند. یکی از شاخصه‌های درهم‌تنیدگی این است که باید به صورت یکجا ایجاد شود و نمی‌توان رفتار مرتبط را با دستکاری یک شیء به صورت مستقل تغییر داد.

هوتا در حین بررسی سیاهچاله‌ها متوجه شد رویداد عجیبی در نظریه‌ی کوانتومی موسوم به انرژی منفی می‌تواند راه‌حلی برای اندازه‌گیری درهم‌تنیدگی باشد. سیاهچاله‌ها با انتشار پرتوهای درهم‌تنیده با محیط داخلی خود کوچک می‌شوند. این فرآیند را می‌توان به شکل بلعیده‌شدن توده‌های انرژی منفی توسط سیاهچاله هم توصیف کرد. هوتا اشاره می‌کند که انرژی منفی و درهم‌تنیدگی دارای رابطه‌ی نزدیکی با یکدیگر هستند. او برای تقویت این فرضیه، تلاش کرد ثابت کند که انرژی منفی هم مانند درهم تنیدگی نمی‌تواند از طریق عملیات مستقل در موقعیت‌های دوردست ایجاد شود. هوتا در کمال شگفتی متوجه شد یک توالی ساده از رویدادها می‌تواند باعث منفی شدن خلأ کوانتومی و در نهایت تولید نوعی انرژی شود که به نظر می‌رسد وجود ندارد. او می‌گوید:

در ابتدا تصور می‌کردم اشتباه می‌کنم بنابراین محاسباتم را دوباره انجام دادم و منطق خود را بررسی کردم اما نتوانستم خطایی پیدا کنم.

مشکل از ماهیت عجیب خلأ کوانتومی سرچشمه می‌گیرد؛ نوع خاصی از هیچ است که به شکل خطرناکی به یک چیز شباهت دارد. اصل عدم قطعیت باعث می‌شود سیستم کوانتومی نتواند به یک وضعیت کاملا برابر با انرژی صفر برسد. در نتیجه حتی خلأ ‌همیشه با نوسان‌هایی در میدان‌های کوانتومی همراه است. این نوسان‌های بی‌پایان، هر میدانی را با مقدار اندکی انرژی موسوم به انرژی نقطه‌ی صفر پر می‌کنند. به گفته‌ی فیزیکدان‌ها سیستمی با انرژی کمینه در حالت پایه قرار دارد.

هوتا متوجه شد برای باز کردن گیت باید درهم‌تنیدگی داخلی را در میدان کوانتومی دستکاری کند. از نوسان‌های بی‌پایان خلأ نمی‌توان برای تقویت ماشین حرکتی ابدی استفاده کرد زیرا نوسان‌ها در یک موقعیت مشخص کاملا تصادفی هستند. اگر فرض کنید یک باتری کوانتومی خیالی را به خلأ وصل کردید، نیمی از نوسان‌ها دستگاه را شارج می‌کنند و نیمی دیگر آن را تخلیه می‌کنند.

اما میدان‌های کوانتومی در هم‌تنیده‌اند یا به بیان دیگر نوسان‌ها در یک نقطه منطبق با نوسان‌های نقطه‌ی دیگر هستند. هوتا در سال ۲۰۰۸، مقاله‌ای را منتشر کرد که نشان می‌داد چگونه دو فیزیکدان فرضی به نام‌های آلیس و باب می‌توانند از این همبستگی‌ها برای برداشت انرژی از وضعیت پایه‌ی اطراف باب استفاده کنند. فرضیه‌ی پژوهش به این شرح است:

باب به انرژی نیاز دارد. او می‌خواهد یک باتری فرضی کوانتومی را شارج کند اما تنها به فضای خالی دسترسی دارد. خوشبختانه دوست او آلیس، در موقعیتی دوردست دارای یک آزمایشگاه فیزیکی مجهز است. آلیس، میدان را در آزمایشگاه خود اندازه‌گیری می‌کند و انرژی را به درون آن تزریق کرده و درباره‌ی نوسان‌ها اطلاعاتی را به دست می‌آورد. این آزمایش میدان کلی را از حالت پایه خارج می‌کند اما مادامی که باب بگوید خلأ او در حالت انرژی کمینه قرار دارد، به صورت تصادفی نوسان می‌کند.

سپس آلیس درباره‌ی یافته‌های خود درباره‌ی خلأ اطراف موقعیت باب به او پیام می‌دهد و به او می‌گوید چه زمانی باتری خود را وصل کند. پس از آنکه باب پیام آلیس را خواند می‌تواند از اطلاعات جدید برای آماده‌سازی آزمایشی استفاده کند که انرژی را از خلأ برداشت می‌کند. این انرژی حداکثر برابر با مقداری است که توسط آلیس تزریق شده است.

به گفته‌ی ادواردو مارتین مارتینز، فیزیکدان تئوری دانشگاه واترلو و مؤسسه‌ی پریمیتر، اطلاعات به باب اجازه می‌دهد نوسان‌ها را زمان‌بندی کند. همچنین مفهوم زمانبندی به دلیل ماهیت انتزاعی میدان‌های کوانتومی در اینجا مفهومی استعاری است.

باب نمی‌تواند بیشتر از مقداری که آلیس تزریق کرده، انرژی برداشت کند؛ بنابراین انرژی پایسته است. همچنین تا زمانی که پیام آلیس را دریافت نکرده، فاقد اطلاعات کافی برای برداشت انرژی است. این پروتکل هیچ‌کدام از قوانین مقدس فیزیکی را نقض نمی‌کند.

با این‌حال مقاله‌ی هوتا هیچ پاسخ شفافی را ارائه نمی‌کند. ماشین‌هایی که از انرژی نقطه‌ی صفر خلأ استفاده می‌کنند هنوز در حد ژانر علمی تخیلی هستند؛ اما هوتا درباره‌ی نتایج خود اطمینان داشت و توسعه‌ی فرضیه‌‌اش را ادامه داد

هوتا همچنین به دنبال راهی برای آزمایش فرضیه‌ی خود بود. به همین دلیل با گو یوسا، آزمایشگر متخصص ماده‌ی چگال از دانشگاه توهوکو همکاری کرد. آن‌ها آزمایشی را در یک سیستم نیمه‌رسانا با وضعیت پایه‌ی درهم‌تنیده مشابه میدان مغناطیسی انجام دادند.

اما آزمایش‌ آن‌ها به دلیل نوع متفاوتی از نوسان به صورت مرتب دچار تأخیر شد. در فاصله‌ی کمی پس از سرمایه‌گذاری اولیه‌ی آزمایش، زلزله‌ و سونامی توهوکو در سال ۲۰۱۱ ساحل شرقی ژاپن از جمله دانشگاه توهوکو را در هم کوبید. در سال‌های گذشته، پس‌لرزه‌های زلزله دو مرتبه به تجهیزات آزمایشگاهی آن‌ها آسیب رساند و امروز آن‌ها کار خود را مجددا از صفر شروع کردند.

هوتا به پیشنهاد اونرو در گردهمایی سال ۲۰۱۳ در بانف کانادا سخنرانی کرد. این سخنرانی توجه مارتین مارتینز را به خود جلب کرد. او درباره‌ی هوتا گفت: «مغز او کاملا متفاوت با بقیه کار می‌کند. او شخصی با فرضیه‌های کاملا متفاوت و خلاقانه است.»

مارتین مارتینز که خود را «مهندس فضازمان» می‌داند مدت زیادی است که به فیزیک در مرز ژانر علمی تخیلی علاقه‌مند شده است. او رویای یافتن راه‌های عملی فیزیکی برای ساخت کرمچاله‌ها، وارپ درایوها و ماشین‌های زمان را در سر دارد. هر کدام از این پدیده‌های عجیب هم ارز با شکلی عجیب از فضازمان هستند که بر اساس معادلات نسبیت عامی به دست می‌آیند؛ اما در عین حال به دلیل شرایط انرژی و مجموعه‌ای از محدودیت‌ها پیاده‌سازی آن‌ها غیرممکن است. مجموعه‌ای از محدودیت‌ها که فیزیکدان‌های مشهوری مثل راجر پنروز و استیون هاوکینگ مطرح کرده‌اند.

بر اساس یکی از نظریه‌های هاوکینگ-پنروز چگالی انرژی منفی ممنوع است؛ اما مارتینز با شنیدن ارائه‌ی هوتا به این نکته رسید که زیر وضعیت پایه، بویی از انرژی منفی به مشام می‌رسد. او خیلی زود متوجه شد تله‌پورت انرژی می‌تواند به حل مسئله‌ی برخی همکاران او در زمینه‌ی اطلاعات کوانتومی به ویژه ریموند لافلام فیزیک‌دان واترلو و نیلی رودریگرز بریونز، دانشجوی لافلام کمک کند. این گروه هدفی عملی‌تر را در سر می‌پروراندند: دریافت کیوبیت‌ها یا عناصر سازنده‌ی کامپیوترهای کوانتومی و سرد کردن آن‌ها تا حدممکن. کیوبیت‌های سرد، کیوبیت‌های مطمئنی هستند اما این گروه متوجه شدند برداشت گرمای بیشتر از کیوبیت‌ها غیرممکن است. این مشکل درست به مشکل فیزیکدان فرضی باب در محیط خلأ و برداشت بیشتر انرژی شباهت داشت.

پژوهشگرهای دو گروه، کار را با بررسی تله‌پورت انرژی کوانتومی آغاز کردند و در سال ۲۰۱۷ روشی را برای گرفتن انرژی از کیوبیت‌ها و سرد ساختن آن‌ها نسبت به روال‌های موجود به دست آوردند. با این‌حال مارتینز می‌گوید هیچ آزمایشی درکار نبود و تمام این موارد بر اساس تئوری مطرح شدند.

مارتین مارتینز و رودریگز بریونز، همراه با گروه لافلام و آزمایشگری به نام همانت کاتیر این روند را تغییر دادند. آن‌ها به فناوری موسوم به رزونانس مغناطیسی هسته‌ای روی آوردند که از میدان‌های مغناطیسی قوی و پالس‌های رادیویی برای دستکاری وضعیت‌های کوانتومی اتم‌ها در یک مولکول بزرگ استفاده می‌کند. این گروه چند سال را صرف برنامه‌ریزی آزمایش کردن و سپس در طی چند ماه در اواسط دنیاگیری کرونا، کاتیر انرژی تله‌پورت بین دو اتم کربنی در نقش آلیس و باب را تنظیم کرد.

در ابتدا مجموعه‌ای از پالس‌های تنظیم‌شده‌ی رادیویی، اتم‌های کربن را در وضعیت پایه با حداقل انرژی قرار دادند که باعث درهم‌تنیدگی اتم‌ها شدند. انرژی نقطه‌ی صفر برای سیستم بر اساس انرژی ترکیبی اولیه‌ی آلیس، باب و درهم‌تنیدگی بین آن‌ها تعریف شد.

پژوهشگرها در مرحله‌ی بعد، یک پالس رادیویی را به آلیس و اتم سوم رساندند و همزمان موقعیت آلیس را اندازه‌گیری کردند و اطلاعات را به «پیام متنی» اتمی تبدیل کردند. در نهایت پالس دیگری به مقصد باب و اتم میانی به صورت همزمان پیغام را به باب منتقل کرد و اندازه‌گیری را انجام داد و به این ترتیب جادوی انرژی کامل شد. آن‌ها این فرآیند را چند مرتبه انجام داند و در هر مرحله به گونه‌ای اندازه‌گیری کردند که امکان بازسازی خواص کوانتومی سه اتم در کل روال را می‌داد.

در نهایت بر اساس محاسبات، انرژی اتم کربن باب به طور میانگین کاهش یافت و بنابراین انرژی، استخراج و در محیط آزاد شد. این اتفاق با وجود این حقیقت رخ داد که اتم باب همیشه در وضعیت پایه عملیات را آغاز می‌کند. کل پروتکل از ابتدا تا انتها بیش از ۳۷ میلی ثانیه به طول نینجامید؛ اما برای اینکه انرژی از یک سمت مولکول به سمت دیگر برود معمولا به زمانی بیش از ۲۰ برابر نیاز دارد که در مجموع یک ثانیه خواهد شد. انرژی مصرفی آلیس به باب اجازه داد انرژی غیرقابل دسترسی را آزاد کند.

پژوهشگرها نسخه‌ی پیش‌انتشار اولین آزمایش تله‌پورت انرژی کوانتومی را در مارس ۲۰۲۲ منتشر کردند. این پژوهش برای چاپ در مجله‌ی Physical Review Letters پذیرفته شده است.

چند روز پیش از کریسمس، کازوکی ایکدا، پژوهشگر رایانش کوانتومی دانشگاه استونی بروک در حال تماشایی ویدئوی یوتیوبی بود که به انتقال انرژی بی‌سیم اشاره می‌کرد. او به عملکرد مشابهی برای مکانیک کوانتوم فکر کرد. سپس پروژه‌ی هوتا را به یاد آورد که یکی از اساتید او در دانشگاه توهوکو بود. ایکیدا متوجه شد می‌توان پروتکل تله‌پورت انرژی کوانتومی را روی پلتفرم رایانش کوانتومی IBM انجام داد.

ایکیدا چند روز بعد آزمایش خود را انجام داد و بررسی کرد که کیوبیت باب زیر سطح انرژی حالت پایه رها شده است. او در تاریخ ۷ ژانویه نسخه‌ی پیش‌انتشار نتایج پژوهش خود را منتشر کرد. با گذشت ۱۵ سال از اولین باری که هوتا مسئله‌ی تله‌پورت انرژی را توصیف کرد، دو آزمایش در کمتر از یک سال ثابت کردند که این کار ممکن است.

با این‌حال هوتا کاملا قانع نشده است. او آزمایش‌ها را به عنوان یکی از اولین گام‌های مهم در مسیر خود توصیف می‌کند و آن‌ها را نوعی شبیه‌سازی کامپیوتری می‌داند به طوری که رفتار درهم‌تنیده در حالت پایه برنامه‌ریزی شده است و می‌تواند از طریق پالس‌های رادیویی یا عملیات کوانتومی روی دستگاه‌های IBM انجام شود. آرزوی هوتا برداشت انرژی نقطه‌ي صفر از دستگاهی است که حالت پایه‌ی آن درست مانند میدان‌های کوانتومی جهان، دارای درهم‌تنیدگی طبیعی باشد.

هوتا و یوسا امیدوارند در سال‌های پیش رو، تله‌پورت انرژی کوانتومی را روی سطحی سیلیکونی با جریان‌های مرزی در حالت پایه‌ی درهم‌تنیده‌ی ذاتی انجام دهد. رفتار این سیستم به رفتار میدان الکترومغناطیسی شباهت دارد.

در حال حاضر، هر فیزیکدان دیدگاه خود را درباره‌ی مزایای تله‌پورت دارد. رودریگز برونیز معتقد است این نظریه به پایدارسازی کامپیوترهای کوانتومی کمک می‌کند و علاوه بر این نقش مهمی در بررسی گرما، انرژی و درهم‌تنیدگی در سیستم‌های کوانتومی خواهد داشت. ایکیدا در اواخر ژانویه مقاله‌ی دیگری را درباره‌ی جزئیات چگونگی تله‌پورت انرژی در اینترنت کوانتومی در حال پیدایش منتشر کرد.

مارتین مارتینز همچنان در پی دست یافتن به رویاهای علمی تخیلی خود است. او در همکاری با اریک اسکنتر، کارشناس شبیه‌سازی‌های نسبیت عام مؤسسه‌ی پریمیتر به دنبال محاسبه‌ی چگونگی واکنش فضا زمان به آرایش‌های مشخصی از انرژی منفی است. از دید برخی پژوهشگرها این جستجو جذاب است چرا که چگالی انرژی منفی، پیامدهای بسیار مهمی دارد.

با این‌حال برخی دیگر هشدار می‌دهند که مسیر انرژی منفی و شکل‌های عجیب فضازمانی، طوفانی و مبهم است؛ زیرا درک ما از همبستگی‌های کوانتومی هنوز در حال تکامل است. هوتا وقت زیادی را صرف تفکر درباره‌ی فضازمان نمی‌کند. او فعلا نسبت به محاسبات همبستگی کوانتومی خود در سال ۲۰۰۸ رضایت دارد.