近期，日本廣島大學(xué)的Haruna Katayama教授提出了一個黑洞激光器的電磁類似物，一個理論上可以放大黑洞事件視界的霍金輻射并使其可以被觀測到的系統(tǒng)。這個想法是繼使用玻色—愛因斯坦凝聚物的類似物的演示之后提出的，并有可能為量子力學(xué)和重力之間的關(guān)系提供新的見解。如果建成，該裝置甚至可以推進(jìn)量子計算等技術(shù)。

霍金輻射是現(xiàn)代理論物理學(xué)的兩大支柱廣義相對論和量子力學(xué)相互碰撞時，產(chǎn)生的少數(shù)假設(shè)性可觀察的預(yù)測之一。在黑洞的事件視界處，量子力學(xué)預(yù)測會產(chǎn)生光子對。其中一個具有負(fù)能量的光子，消失在黑洞中。另一個具有正能量的光子則逃到了外太空。這種效應(yīng)將導(dǎo)致黑洞發(fā)出輻射，使它們具有可測量的溫度--這在理論上將是革命性的，因?yàn)檫@將表明它們具有內(nèi)部自由度。不幸的是，所有已知黑洞的溫度將低于宇宙微波背景的溫度。放出的輻射將被吸收的輻射所掩蓋，無法觀測到。

然而，1981年加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的威廉·恩魯表明，幾個物理系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上與產(chǎn)生霍金輻射的系統(tǒng)相同，因此可以在實(shí)驗(yàn)室中研究這種效應(yīng)。這些類似物包括水波、光纖系統(tǒng)和玻色—愛因斯坦凝聚物。

有爭議的說法

“這些類似物不會觸及與量子引力有關(guān)的任何問題的核心，因?yàn)槟且呀?jīng)超出了人們在這里探索的制度，”美國達(dá)特茅斯學(xué)院的理論物理學(xué)家Miles Blencowe解釋說，“但霍金的計算仍有重要問題需要繼續(xù)研究。在某種程度上，你可以認(rèn)為這些模擬物就像量子模擬器?！?/p>

在新的工作中，Katayama提出，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的史蒂芬·科利和美國馬里蘭大學(xué)的泰德·雅各布森在1999年提出的霍金理論中最引人注目的預(yù)測之一，可以在超導(dǎo)電路中進(jìn)行測試。這兩人概述了黑洞激光器的操作，要求黑洞內(nèi)部有一個白洞。這個白洞的內(nèi)部地平線將負(fù)能量的光子反射到黑洞地平線上，在那里光子無法逃脫，被反射回來。光子的能量在地平線之間反彈時越來越負(fù)，導(dǎo)致發(fā)射到外層空間的光子能量越來越正。

Blencowe說：“在自然界中實(shí)現(xiàn)其中一個是非常不可能的，但在類似物中產(chǎn)生這些是可能的。事實(shí)上，第一個這樣的黑洞模擬物于2016年在一個玻色—愛因斯坦凝聚物中產(chǎn)生?！?/p>

糾纏的輻射

在這項(xiàng)最新的工作中，Katuyama提議利用約瑟夫森效應(yīng)讓超導(dǎo)電流變得量化，在超材料諧振器中創(chuàng)造一個稱為孤子的非分散波包。孤子本身表現(xiàn)為一個諧振腔，孤子中的輻射與從孤子中發(fā)射的輻射發(fā)生量子力學(xué)糾纏。這種發(fā)射的輻射是霍金輻射的類似物。

“不幸的是，在這個階段，我們還沒能用這個系統(tǒng)提出超越其他模擬系統(tǒng)的建議，”Katuyama說，“然而，基于提議的超導(dǎo)量子裝置，動態(tài)的卡西米爾效應(yīng)，也就是真空的動態(tài)波動，已經(jīng)被揭示出來，而且這個系統(tǒng)中開發(fā)的光子檢測技術(shù)是其他系統(tǒng)無法模仿的一個巨大優(yōu)勢。此外，這個基于納米技術(shù)的系統(tǒng)具有良好的可控性。因此，通過控制電路參數(shù)，可以將黑洞從經(jīng)典領(lǐng)域帶入量子領(lǐng)域，所以它可能讓我們從真空中研究黑洞和白洞的量子對創(chuàng)造?！?/p>

Blencowe也認(rèn)同該系統(tǒng)的靈敏度可以幫助尋找霍金輻射的觀點(diǎn)。他說：“與此非常接近的系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了：它們作為非常敏感的微波光子探測器非常重要，它們在超導(dǎo)量子比特中也非常重要，”他說，“如果提案得以實(shí)現(xiàn)，它將是霍金效應(yīng)的一個非常干凈的證明--信號相對較大，你就不必太擔(dān)心噪音了。”此外，他認(rèn)為技術(shù)轉(zhuǎn)讓的潛力很大。他建議，量子計算是關(guān)于產(chǎn)生糾纏作為一種資源，所以通過這類系統(tǒng)產(chǎn)生的糾纏微波光子可能是非常有用的。