日本科学家提出黑洞激光器概念

    近期，日本广岛大学的Haruna Katayama教授提出了一个黑洞激光器的电磁类似物，一个理论上可以放大黑洞事件视界的霍金辐射并使其可以被观测到的系统。这个想法是继使用玻色—爱因斯坦凝聚物的类似物的演示之后提出的，并有可能为量子力学和重力之间的关系提供新的见解。如果建成，该装置甚至可以推进量子计算等技术。

    霍金辐射是现代理论物理学的两大支柱广义相对论和量子力学相互碰撞时，产生的少数假设性可观察的预测之一。在黑洞的事件视界处，量子力学预测会产生光子对。其中一个具有负能量的光子，消失在黑洞中。另一个具有正能量的光子则逃到了外太空。这种效应将导致黑洞发出辐射，使它们具有可测量的温度--这在理论上将是革命性的，因为这将表明它们具有内部自由度。不幸的是，所有已知黑洞的温度将低于宇宙微波背景的温度。放出的辐射将被吸收的辐射所掩盖，无法观测到。

    然而，1981年加拿大不列颠哥伦比亚大学的威廉·恩鲁表明，几个物理系统在数学上与产生霍金辐射的系统相同，因此可以在实验室中研究这种效应。这些类似物包括水波、光纤系统和玻色—爱因斯坦凝聚物。

    有争议的说法

   “这些类似物不会触及与量子引力有关的任何问题的核心，因为那已经超出了人们在这里探索的制度，”美国达特茅斯学院的理论物理学家Miles Blencowe解释说，“但霍金的计算仍有重要问题需要继续研究。在某种程度上，你可以认为这些模拟物就像量子模拟器。”

    在新的工作中，Katayama提出，加拿大阿尔伯塔大学的史蒂芬·科利和美国马里兰大学的泰德·雅各布森在1999年提出的霍金理论中最引人注目的预测之一，可以在超导电路中进行测试。这两人概述了黑洞激光器的操作，要求黑洞内部有一个白洞。这个白洞的内部地平线将负能量的光子反射到黑洞地平线上，在那里光子无法逃脱，被反射回来。光子的能量在地平线之间反弹时越来越负，导致发射到外层空间的光子能量越来越正。

    Blencowe说：“在自然界中实现其中一个是非常不可能的，但在类似物中产生这些是可能的。事实上，第一个这样的黑洞模拟物于2016年在一个玻色—爱因斯坦凝聚物中产生。”

    纠缠的辐射

    在这项最新的工作中，Katuyama提议利用约瑟夫森效应让超导电流变得量化，在超材料谐振器中创造一个称为孤子的非分散波包。孤子本身表现为一个谐振腔，孤子中的辐射与从孤子中发射的辐射发生量子力学纠缠。这种发射的辐射是霍金辐射的类似物。

    “不幸的是，在这个阶段，我们还没能用这个系统提出超越其他模拟系统的建议，”Katuyama说，“然而，基于提议的超导量子装置，动态的卡西米尔效应，也就是真空的动态波动，已经被揭示出来，而且这个系统中开发的光子检测技术是其他系统无法模仿的一个巨大优势。此外，这个基于纳米技术的系统具有良好的可控性。因此，通过控制电路参数，可以将黑洞从经典领域带入量子领域，所以它可能让我们从真空中研究黑洞和白洞的量子对创造。”

    Blencowe也认同该系统的灵敏度可以帮助寻找霍金辐射的观点。他说：“与此非常接近的系统已经实现了：它们作为非常敏感的微波光子探测器非常重要，它们在超导量子比特中也非常重要，”他说，“如果提案得以实现，它将是霍金效应的一个非常干净的证明--信号相对较大，你就不必太担心噪音了。”此外，他认为技术转让的潜力很大。他建议，量子计算是关于产生纠缠作为一种资源，所以通过这类系统产生的纠缠微波光子可能是非常有用的。