日本廣島大學的研究人員提出了一種黑洞激光器，使用了量子約瑟夫森（Josephson）超材料傳輸線，孤子在激光設(shè)備中扮演諧振器的角色。該研究設(shè)想或可在未來促進霍金輻射基礎(chǔ)上不同時空之間的量子通信系統(tǒng)的開發(fā)。

基本的物理力量支配著構(gòu)成宇宙的物質(zhì)，然而這些力量是如何協(xié)同工作的至今還沒有完全弄清楚?；艚疠椛涞拇嬖凇獊碜院诙锤浇牧Ｗ影l(fā)射，表明廣義相對論和量子力學必須“合作”。但是由于宇宙的背景噪音，直接觀察黑洞的霍金輻射幾乎是不可能的，那么研究人員如何研究它來更好地理解力是如何相互作用的，以及它們是如何整合成“萬物理論”的呢？

霍金輻射，由斯蒂芬·霍金在1972年建立它的數(shù)學模型。霍金輻射的理論能說明如何降低黑洞的質(zhì)量而導致黑洞蒸散的現(xiàn)象。來源：百科

廣島大學高級科學與工程研究生院的博士生Haruna Katayama認為，“山不來就我,我便去就山 ”——既然研究人員不能去研究霍金輻射，就必須把霍金輻射帶給研究人員。她提出了一種量子電路，可以作為黑洞激光器，提供了一個實驗室級的黑洞等價物，獨具優(yōu)勢。

“在這項研究中，我們設(shè)計了一個量子電路激光理論，使用一個模擬黑洞和一個白洞作為諧振器?！盞atayama說。白洞是黑洞的理論伙伴，它發(fā)出的光和物質(zhì)與黑洞消耗的光和物質(zhì)完全相反，是黑洞老化坍縮之后的一種狀態(tài)，其時空曲率和黑洞恰好相反，是無限膨脹的。

所設(shè)計的電路利用了一種超材料，從而允許超光速運動，這種運動橫跨視界之間的空間，而霍金輻射就在視界附近發(fā)射。

“超光速的特性在普通電路建立的正常介質(zhì)中是不可能的，”Katayama說?！俺牧显厥够艚疠椛湓谝暯缰g來回傳播成為可能，約瑟夫森效應(Josephson effect)——描述了無電壓傳播的連續(xù)電流流動，在視界的模式轉(zhuǎn)換放大霍金輻射方面發(fā)揮了重要作用，從而模擬了白洞和黑洞之間的行為?！?/p>

Katayama的設(shè)計建立在先前提出的光學黑洞激光器的基礎(chǔ)上，引入了允許超光速的超材料，并利用約瑟夫森效應放大霍金輻射。由此產(chǎn)生的量子電路誘導出一種孤子——局部的、自我增強的弧波，可保持速度和形狀，直到外部因素使自身系統(tǒng)崩潰。

與之前提出的黑洞激光器不同，該設(shè)計有一個在單個孤子內(nèi)形成的黑洞/白洞腔，霍金輻射在孤子外發(fā)射，可供科研人員對其進行評估。

霍金輻射是以糾纏粒子對的形式產(chǎn)生的，一個在視界內(nèi)，一個在視界外。根據(jù)研究人員的說法，可觀察到的糾纏粒子帶有其“伙伴粒子”的影子。因此，兩個粒子之間的量子相關(guān)性可以在數(shù)學上確定，而無需同時觀察兩個粒子。Katayama探測到這種糾纏對于確認霍金輻射是不可或缺的。

然而必須承認，由于光的正常色散，實驗室霍金輻射不同于真正的黑洞霍金輻射。光的成分會像彩虹一樣朝一個方向分裂。如果這些成分可以被控制，使得一些能夠被反轉(zhuǎn)和反彈，那么由此產(chǎn)生的實驗室霍金輻射將與真正的黑洞霍金輻射具有相同的正頻率。

她現(xiàn)在正在研究如何整合反常色散，以獲得更具可比性的結(jié)果?！拔磥?，我們希望利用霍金輻射開發(fā)不同時空之間的量子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的可擴展性和可控性是開發(fā)量子技術(shù)的重要優(yōu)勢所在。”

來源：Quantum-circuit black hole lasers，Scientific Reports，https://www.nature.com/articles/s41598-021-98456-0