近期，日本廣島大學的Haruna Katayama教授提出了一個(ge) 黑洞激光器的電磁類似物，一個(ge) 理論上可以放大黑洞事件視界的霍金輻射並使其可以被觀測到的係統。這個(ge) 想法是繼使用玻色—愛因斯坦凝聚物的類似物的演示之後提出的，並有可能為(wei) 量子力學和重力之間的關(guan) 係提供新的見解。如果建成，該裝置甚至可以推進量子計算等技術。

霍金輻射是現代理論物理學的兩(liang) 大支柱廣義(yi) 相對論和量子力學相互碰撞時，產(chan) 生的少數假設性可觀察的預測之一。在黑洞的事件視界處，量子力學預測會(hui) 產(chan) 生光子對。其中一個(ge) 具有負能量的光子，消失在黑洞中。另一個(ge) 具有正能量的光子則逃到了外太空。這種效應將導致黑洞發出輻射，使它們(men) 具有可測量的溫度--這在理論上將是革命性的，因為(wei) 這將表明它們(men) 具有內(nei) 部自由度。不幸的是，所有已知黑洞的溫度將低於(yu) 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(lun) 比亞(ya) 大學的威廉·恩魯表明，幾個(ge) 物理係統在數學上與(yu) 產(chan) 生霍金輻射的係統相同，因此可以在實驗室中研究這種效應。這些類似物包括水波、光纖係統和玻色—愛因斯坦凝聚物。

有爭(zheng) 議的說法

“這些類似物不會(hui) 觸及與(yu) 量子引力有關(guan) 的任何問題的核心，因為(wei) 那已經超出了人們(men) 在這裏探索的製度，”美國達特茅斯學院的理論物理學家Miles Blencowe解釋說，“但霍金的計算仍有重要問題需要繼續研究。在某種程度上，你可以認為(wei) 這些模擬物就像量子模擬器。”

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

Blencowe說：“在自然界中實現其中一個(ge) 是非常不可能的，但在類似物中產(chan) 生這些是可能的。事實上，第一個(ge) 這樣的黑洞模擬物於(yu) 2016年在一個(ge) 玻色—愛因斯坦凝聚物中產(chan) 生。”

糾纏的輻射

在這項最新的工作中，Katuyama提議利用約瑟夫森效應讓超導電流變得量化，在超材料諧振器中創造一個(ge) 稱為(wei) 孤子的非分散波包。孤子本身表現為(wei) 一個(ge) 諧振腔，孤子中的輻射與(yu) 從(cong) 孤子中發射的輻射發生量子力學糾纏。這種發射的輻射是霍金輻射的類似物。

“不幸的是，在這個(ge) 階段，我們(men) 還沒能用這個(ge) 係統提出超越其他模擬係統的建議，”Katuyama說，“然而，基於(yu) 提議的超導量子裝置，動態的卡西米爾效應，也就是真空的動態波動，已經被揭示出來，而且這個(ge) 係統中開發的光子檢測技術是其他係統無法模仿的一個(ge) 巨大優(you) 勢。此外，這個(ge) 基於(yu) 納米技術的係統具有良好的可控性。因此，通過控製電路參數，可以將黑洞從(cong) 經典領域帶入量子領域，所以它可能讓我們(men) 從(cong) 真空中研究黑洞和白洞的量子對創造。”

Blencowe也認同該係統的靈敏度可以幫助尋找霍金輻射的觀點。他說：“與(yu) 此非常接近的係統已經實現了：它們(men) 作為(wei) 非常敏感的微波光子探測器非常重要，它們(men) 在超導量子比特中也非常重要，”他說，“如果提案得以實現，它將是霍金效應的一個(ge) 非常幹淨的證明--信號相對較大，你就不必太擔心噪音了。”此外，他認為(wei) 技術轉讓的潛力很大。他建議，量子計算是關(guan) 於(yu) 產(chan) 生糾纏作為(wei) 一種資源，所以通過這類係統產(chan) 生的糾纏微波光子可能是非常有用的。