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日本廣島大學(xué)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(xiàn)，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(lái)促進(jìn)霍金輻射基礎(chǔ)上不同時(shí)空之間的量子通信系統(tǒng)的開(kāi)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(méi)有完全弄清楚。霍金輻射的存在——來(lái)自黑洞附近的粒子發(fā)射，表明廣義相對(duì)論和量子力學(xué)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(lái)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(wàn)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(xué)模型。霍金輻射的理論能說(shuō)明如何降低黑洞的質(zhì)量而導(dǎo)致黑洞蒸散的現(xiàn)象。來(lái)源：百科
廣島大學(xué)高級(jí)科學(xué)與工程研究生院的博士生Haruna Katayama認(rèn)為，“山不來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)室級(jí)的黑洞等價(jià)物，獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。
“在這項(xiàng)研究中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)量子電路激光理論，使用一個(gè)模擬黑洞和一個(gè)白洞作為諧振器。”Katayama說(shuō)。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(shí)空曲率和黑洞恰好相反，是無(wú)限膨脹的。
所設(shè)計(jì)的電路利用了一種超材料，從而允許超光速運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)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(shuō)。“超材料元素使霍金輻射在視界之間來(lái)回傳播成為可能，約瑟夫森效應(yīng)(Josephson effect)——描述了無(wú)電壓傳播的連續(xù)電流流動(dòng)，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。”
Katayama的設(shè)計(jì)建立在先前提出的光學(xué)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(yīng)放大霍金輻射。由此產(chǎn)生的量子電路誘導(dǎo)出一種孤子——局部的、自我增強(qiáng)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(jì)有一個(gè)在單個(gè)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(duì)其進(jìn)行評(píng)估。
霍金輻射是以糾纏粒子對(duì)的形式產(chǎn)生的，一個(gè)在視界內(nèi)，一個(gè)在視界外。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，可觀察到的糾纏粒子帶有其“伙伴粒子”的影子。因此，兩個(gè)粒子之間的量子相關(guān)性可以在數(shù)學(xué)上確定，而無(wú)需同時(shí)觀察兩個(gè)粒子。Katayama探測(cè)到這種糾纏對(duì)于確認(rèn)霍金輻射是不可或缺的。
然而必須承認(rèn)，由于光的正常色散，實(shí)驗(yàn)室霍金輻射不同于真正的黑洞霍金輻射。光的成分會(huì)像彩虹一樣朝一個(gè)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(shí)驗(yàn)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。“未來(lái)，我們希望利用霍金輻射開(kāi)發(fā)不同時(shí)空之間的量子通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可控性是開(kāi)發(fā)量子技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)所在。”
來(lái)源：Quantum-circuit black hole lasers，Scientific Reports，https://www.nature.com/articles/s41598-021-98456-0
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