Energy is present everywhere in the universe, from the tiniest particles to the vastness of space. According to quantum mechanics, vacuum states like outer space are not actually empty, because when observed at microscopic scales, there are spontaneous energy fluctuations. These can be loosely interpreted as a sea of particles ‘popping in and out of existence’ for short times, and results in regions of positive and negative energy densities. Overall, these fluctuations keep the vacuum in its lowest possible energy state, known as the zero-point energy.
However, it has been theorized that under very specific conditions, quantum information processing and quantum thermodynamics tools might be useful for localized energy extraction from the zero-point energy of a quantum vacuum. Researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) have implemented the first experiment in which quantum entanglement is used as a resource to activate the vacuum zero-point energy.
The team included Dr. Raymond Laflamme, IQC faculty member and professor in Waterloo’s Department of Physics and Astronomy, and Dr. Eduardo Martín-Martínez, IQC associate and professor in the Department of Applied Math, as well as Dr. Nayeli Rodríguez-Briones and Dr. Hemant Katiyar, both recent graduates from IQC and the Department of Physics and Astronomy, now working at University of California, Berkeley and IonQ Canada, respectively. Together, they experimentally tested the impact of entanglement between particles to extract energy from a vacuum state.
The concept of local extraction of zero-point energy was first proposed by Masahiro Hotta in 2008, who conceived the protocols named quantum energy teleportation. In this protocol, energy is not being moved or transported between the two locations. Instead, energy is spent in one location of the system to gather information. This information is then shared via entanglement and used at the second location to extract energy. This protocol had remained theoretical until now, as the team of IQC researchers has published the first experiment to test quantum energy teleportation.
“When you start focusing on local sections of the vacuum, you’re going to see fluctuations of energy. Sometimes, you’re going to have fluctuations that give you energy, and sometimes they take energy, but on average, you’re always going to be inputting energy into the system,” says Martín-Martínez. “But when the vacuum has entanglement — which is the case for most systems in the world — you can spend energy to get information about one local state. Then, you can send that information to somebody with access to a different part of the vacuum. From there, they can use that information to catch the right fluctuation in their local state to extract energy.”
In this experiment, the researchers used nuclear magnetic resonance (NMR) to simulate the quantum system of a vacuum using three carbon atoms in the molecule transcrotonic acid. The carbon nuclei each have an inherent spin state of either up or down, which can be harnessed as a qubit in NMR experiments. Two carbon nuclei (A and B) act as the entangled locations, and the third carbon nucleus acts as an auxiliary qubit. To perform the experiment, the auxiliary qubit was used to measure qubit A without transferring any energy between qubits A and B. The information gained from this measurement was then used to extract energy from qubit B without transferring energy between the qubits. This process demonstrated the feasibility of extracting energy in a strong local passive state using the quantum energy teleportation protocol.
“Our work gives insight into the interplay between entanglement and locality, and the effect it has on the energy flows in the system,” says Rodríguez-Briones. “Our research connects concepts from several fields, such as quantum information and quantum thermodynamics, which could potentially be useful for other theoretical physics problems and applications.”
While this experiment is the first step, this theory has implications in a wide range of quantum applications and our understanding of quantum theory. For example, understanding quantum energy teleportation protocols may give insights into the black hole information paradox and may lead to applications using quantum thermodynamics to improve quantum devices.
“By doing an experiment, even if it's a very simple first step in using theoretical ideas and concepts from quantum theory, we can prove that the world really behaves in alignment with the theoretical principles of quantum mechanics,” says Laflamme. “Our experiment shows that extracting energy from an entangled ground state is possible. It’s a small step, but it opens the door for many other things – quantum information science is becoming quantum information technologies.”
The article, Experimental activation of strong local passive states with quantum information, was published in Physical Review Letters on March 13, 2023.
De la théorie à la réalité : la nouvelle expérience de scientifiques de l’Institut d’informatique quantique
Des particules nanométriques à l’immensité de l’espace, l’énergie est partout dans l’Univers. La mécanique quantique postule que le vide comme celui que l’on trouve dans l’espace extra-atmosphérique ne serait pas vraiment vide; en effet, à l’échelle microscopique, on y observe des variations d’énergie spontanées. On peut le voir comme une mer de particules qui « apparaîtrait et disparaîtrait » brièvement, générant des régions aux densités d’énergie positives et négatives. En tout et partout, ces variations font en sorte que le vide demeure à l’état énergétique le plus faible possible : l’énergie au zéro absolu.
Or en théorie, dans des conditions bien précises, le traitement de l’information quantique et les outils de la thermodynamique quantique pourraient se révéler utiles pour l’extraction localisée d’énergie au zéro absolu du vide quantique. Les scientifiques de l’Institut d’informatique quantique ont mis en œuvre la première expérience qui recourt à l’intrication quantique comme ressource pour l’activation de l’énergie au zéro absolu du vide.
L’équipe réunit Raymond Laflamme, professeur de l’Institut d’informatique quantique et du Département de physique et astronomie de l’Université de Waterloo, Eduardo Martín-Martínez, associé de l’Institut et professeur au Département de mathématiques appliquées, ainsi que Nayeli Rodríguez-Briones et Hemant Katiyar, deux nouveaux diplômés de l’Institut et du Département de physique et d’astronomie qui travaillent aujourd’hui à l’Université de Californie, Berkeley et à IonQ Canada, respectivement. Ensemble, les scientifiques ont procédé à des expériences sur les effets de l’intrication entre les particules pour l’extraction d’énergie du vide.
Le concept d’extraction localisée d’énergie au zéro absolu a d’abord été proposé en 2008 par Masahiro Hotta, à qui l’on doit le protocole de téléportation quantique. Dans ce protocole, plutôt que d’être déplacée ou transportée entre deux points, l’énergie est dépensée à un point du système pour recueillir de l’information qui est ensuite transférée par intrication et utilisée au deuxième point pour extraire de l’énergie. Jusqu’ici, tout cela demeurait purement théorique, mais la publication de la première expérience visant à tester la téléportation d’énergie quantique de l’équipe de recherche de l’Institut vient changer la donne.
« Si l’on observe des sections locales du vide, on peut voir des variations d’énergie. Parfois, les variations donnent de l’énergie et parfois c’est l’inverse, mais en moyenne, on constate un apport d’énergie au système, explique Eduardo Martín-Martínez. Mais en présence d’intrication – constatée dans la plupart des systèmes dans le monde –, on peut consommer de l’énergie pour obtenir de l’information sur un état local. Puis, on envoie cette information à une personne qui a accès à une autre partie du vide. De là, elle peut utiliser cette information pour capter la bonne variation à son état local afin d’extraire de l’énergie. »
Dans cette expérience, les scientifiques ont utilisé la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour simuler le système quantique d’un vide en utilisant trois atomes de carbone dans l’acide trans-crotonique de la molécule. Chaque noyau de carbone a un état de spin intrinsèque haut ou bas, qui peut être exploité comme un qubit dans les expériences de RMN. Deux noyaux de carbone (A et B) agissent comme les points intriqués et le troisième agit comme un qubit auxiliaire. Pour effectuer l’expérience, les scientifiques ont utilisé le qubit auxiliaire pour mesurer le qubit A sans transfert d’énergie entre les qubits A et B. L’information ainsi obtenue a ensuite servi à extraire l’énergie du qubit B sans transfert d’énergie entre les qubits. Ce procédé a démontré la faisabilité de l’extraction d’énergie dans un état local fortement passif au moyen du protocole de téléportation.
« Nos travaux nous informent sur l’interaction entre l’intrication et la localité, et son effet sur la circulation d’énergie dans le système, renchérit Nayeli Rodríguez-Briones. Ils font le pont entre des notions de plusieurs domaines, comme l’information quantique et la thermodynamique quantique, ce qui pourrait avoir une utilité pour d’autres problèmes et applications en physique théorique. »
Si cette expérience est une première étape, les retombées de cette théorie pourraient rejaillir dans un vaste éventail d’applications quantiques et affiner notre compréhension de la théorie quantique. Par exemple, si l’on comprend les protocoles de téléportation de l’énergie quantique, on peut mieux saisir le paradoxe de l’information (trou noir) et trouver des applications qui utilisent la thermodynamique quantique pour améliorer les dispositifs quantiques.
« En menant une expérience, même s’il s’agit d’un tout premier pas dans l’utilisation d’idées et de notions de la théorie quantique, nous pouvons prouver que le monde respecte les principes théoriques de la mécanique quantique, s’enthousiasme Raymond Laflamme. Notre expérience prouve que l’extraction d’énergie d’un état fondamental intriqué est possible. Il s’agit d’un petit pas, mais qui ouvre la porte à un monde de possibles – plutôt que de parler de science de l’information quantique, on parlera bientôt de technologies de l’information quantique. »
L’article « Experimental Activation Of Strong Local Passive States With Quantum Information » a été publié dans Physical Review Letters le 13 mars 2023.
Raymond Laflamme, Eduardo Martín-Martínez, Nayeli Rodríguez-Briones et Hemant Katiyar posent devant un spectromètre de RMN.