日本广岛大学打造“黑洞激光器”量子电路，可研究模拟霍金辐射

2021-10-25 16:59

近期，日本广岛大学先进科学与工程研究生院的博士生片山哈伦(Haruna Katayama)提出创建一种扮演“黑洞激光器”的量子电路。这提供了一个实验室黑洞等效物，可以模拟黑洞的一些本质特性，比先前提出的版本更具优势。

“在这项研究中，我们设计了一个量子电路激光理论，使用模拟黑洞和白洞作为谐振器。”Haruna Katayama表示。

白洞在理论上是黑洞的对应物，它发射的光和物质与黑洞所消耗的光和物质是相反的。在上述提出的电路中，一种超材料被设计成允许比光速更快的运动跨越视界之间的空间，霍金辐射就在视界附近发射。

“在普通电路中建立的普通介质中，超光速的特性是不可能的。”“超材料元素使霍金辐射在视界之间来回穿行成为可能，约瑟夫森效应（Josephson effect）——描述了无电压传播的连续电流——在通过视界的模式转换放大霍金辐射方面发挥了重要作用，模仿白洞和黑洞之间的行为。”

Haruna Katayama的提议建立在先前提出的光学黑洞激光器的基础上，通过引入允许超光速的超材料和利用约瑟夫森效应来放大霍金辐射（Hawking radiation）。由此产生的量子电路会产生孤子（soliton），这是一种局域的、自我增强的波形，它能保持速度和形状，直到外部因素使系统崩溃。

“与之前提出的黑洞激光器不同，我们的版本有一个在单个孤子内形成的黑洞/白洞腔，霍金辐射在孤子外发射，因此我们可以评估它。”Katayama表示。

霍金辐射以纠缠粒子对的形式产生，一个在视界内，一个在视界外。根据Haruna Katayama的说法，可观测的纠缠粒子带有它的伙伴粒子的影子。因此，两个粒子之间的量子相关性可以在数学上确定，而无需同时观察两个粒子。“像这种纠缠的探测，确认霍金辐射是必不可少的。”

然而，Haruna Katayama警告说，实验室的霍金辐射不同于真正的黑洞霍金辐射。这是由于不同系统中光的正常色散。光的组成部分向一个方向分裂，就像彩虹一样。如果可以控制这些部件，使其中一些部件可以反转和反弹，那么实验室制造的霍金辐射将反映出与真正黑洞霍金辐射相同的正频率。她现在正在研究如何整合异常弥散以获得更可比的结果。

研究人员们希望，未来利用霍金辐射开发这种系统，用于不同时空之间的量子通信。他们指出，该系统的可扩展性和可控性是开发量子技术的优势。