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，孤子在激光設備中扮演諧振器的角色。該研究設想或可在未來促進霍金輻射基礎上不同時空之間的量子通信系統的開發。
基本的物理力量支配著構成宇宙的物質，然而這些力量是如何協同工作的至今還沒有完全弄清楚。霍金輻射的存在——來自黑洞附近的粒子發射，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年建立它的數學模型。霍金輻射的理論能說明如何降低黑洞的質量而導致黑洞蒸散的現象。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，獨具優勢。
“在這項研究中，我們設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。”Katayama說。白洞是黑洞的理論伙伴，它發出的光和物質與黑洞消耗的光和物質完全相反，是黑洞老化坍縮之后的一種狀態，其時空曲率和黑洞恰好相反，是無限膨脹的。
所設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射。
“超光速的特性在普通電路建立的正常介質中是不可能的，”Katayama說。“超材料元素使霍金輻射在視界之間來回傳播成為可能，約瑟夫森效應(Josephson effect)——描述了無電壓傳播的連續電流流動，在視界的模式轉換放大霍金輻射方面發揮了重要作用，從而模擬了白洞和黑洞之間的行為。”
Katayama的設計建立在先前提出的光學黑洞激光器的基礎上，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崩潰。
與之前提出的黑洞激光器不同，該設計有一個在單個孤子內形成的黑洞/白洞腔，霍金輻射在孤子外發射，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生的，一個在視界內，一個在視界外。根據研究人員的說法，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性可以在數學上確定，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和反彈，那么由此產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。
她現在正在研究如何整合反常色散，以獲得更具可比性的結果。“未來，我們希望利用霍金輻射開發不同時空之間的量子通信系統，該系統的可擴展性和可控性是開發量子技術的重要優勢所在。”
來源：Quantum-circuit black hole lasers，Scientific Reports，https://www.nature.com/articles/s41598-021-98456-0
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