多年來，物理學家一直視知識為量子世界中的一種燃料，越精確了解系統，就能從中榨取更多功。但這一廣受認可的假設如今受到挑戰。最新研究顯示，即使對量子態完全不確定，也能提取其全部可用能量——前提是擁有大量副本。這挑戰了量子熱力學中的核心難題，因為精確測量系統往往耗費大量資源，適得其反。「評估納米尺度量子系統中可提取的最大功量，是量子熱力學的中心問題之一，」研究作者指出。
研究提出驚人捷徑：在適當條件下，可跳過昂貴的系統學習步驟，仍能充分利用其能量。
從昂貴測量到巧妙捷徑
量子系統中儲存的有用功由亥姆霍茲自由能主導，此值顯示系統偏離熱平衡的程度，偏離越遠，可提取功越多。先前研究已證實，大量相同量子系統的自由能設定最大可提取功上限，但前提是事先知曉精確量子態。這在實踐中難以實現，因為「實驗環境中，量子態易受未知噪聲影響，無法掌握其詳細特性，」東京大學研究生、合著作者 Kaito Watanabe 表示。學習精確態需量子層析成像，過程消耗海量副本及能量，形成惡性循環：過度學習即喪失初衷益處。
為解決此問題，研究團隊設計通用功提取協議，不依賴事先知識。協議利用大量相同副本出現的微妙對稱性，即使單個副本未知，整體仍呈現可利用模式。協議分步協調進行：首先，Schur pinching channel 數學操作將系統重組為簡單對角形式，更易處理。其次，非全面測量，而是僅抽樣少量副本，估計相對熵——決定可提取功的關鍵量。此抽樣比例隨總副本數緩慢增長，多數系統保持完整。
最後，將估計值輸入標準提取流程，透過守恆能量操作轉化儲存能為有用功。研究顯示，此協議的收斂速度與知曉態的協議一致，學習與提取同步進行，系統在演化中自我適應，無需完整事先知識。
此成果暗示量子資源思維轉變，屬資源蒸餾框架一部分。若類似無知識策略擴展，可簡化多項量子技術。研究證實結果適用複雜無限維系統，如量子光學，自由能極限不僅理論上成立，亦具實踐可及性。但協議依賴大量相同副本，非總適用，且無限維系統完整理解仍待探索。
團隊計劃推廣至其他量子過程，並優化複雜真實情境。研究刊載於 Nature Communications。