黑洞鐳射器可能具有量子計算應用價值

它是如何工作的：示意圖顯示了孤子（頂部）如何發揮映象鐳射腔（底部）的作用。(來源：Haruna Katayama/廣島大學)

日本廣島大學的Haruna Katayama提出了一個黑洞鐳射器的電磁類似物--一個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系統。這個想法是繼使用玻色-愛因斯坦凝聚物的類似物的演示之後提出的，並有可能為量子力學和重力之間的關係提供新的見解。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大支柱--廣義相對論和量子力學--相互碰撞時產生的少數假設性可觀察的預測之一。在黑洞的事件視界處，量子力學預測會產生光子對。其中一個具有負能量的光子，消失在黑洞中。另一個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，使它們具有可測量的溫度--這在理論上將是革命性的，因為這將表明它們具有內部自由度。不幸的是，所有已知黑洞的溫度將低於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，加拿大不列顛哥倫比亞大學的威廉-恩魯（William Unruh）表明，幾個物理系統在數學上與產生霍金輻射的系統相同，因此可以在實驗室中研究這種效應。這些類似物包括水波、光纖系統和玻色-愛因斯坦凝聚物。

有爭議的說法

"[這些類似物]不會觸及與量子引力有關的任何問題的核心，因為那已經超出了人們在這裡探索的制度，"美國達特茅斯學院的理論物理學家邁爾斯-布倫科（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，你可以認為這些模擬物就像量子模擬器。" 使用不同的 "模擬引力 "系統的研究小組競想為霍金的各種預測提供第一個證據，而小組的主張往往被其他小組所質疑。

在新的工作中，Katayama提出，加拿大阿爾伯塔大學的史蒂芬-科利（Steven Corley）和美國馬里蘭大學的泰德-雅各布森（Ted Jacobsen）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。這兩人概述了黑洞鐳射器的操作，要求黑洞內部有一個 "白洞"。這個白洞的內部地平線將負能量的光子反射到黑洞地平線上，在那裡，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是非常不可能的，但在類似物中產生這些是可能的。事實上，第一個這樣的黑洞模擬物於2016年在一個玻色-愛因斯坦凝聚物中產生。"

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稱為孤子的非分散波包。孤子本身表現為一個諧振腔，孤子中的輻射與從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，在這個階段，我們還沒能用這個系統提出超越其他[模擬]系統的建議，"Katuyama說。"然而，基於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，而且這個系統中開發的光子檢測技術是其他系統無法模仿的一個巨大優勢。此外，這個基於奈米技術的系統具有良好的可控性。因此，透過控制電路引數，可以將黑洞從經典領域帶入量子領域，所以它可能讓我們從真空中研究黑洞和白洞的量子對創造。"

Blencowe也認同該系統的靈敏度可以幫助尋找霍金輻射的觀點。他說："與此非常接近的系統已經實現了：它們作為非常敏感的微波光子探測器非常重要，它們在超導量子位元中也非常重要，"他說；"如果提案得以實現，它將是霍金效應的一個非常乾淨的證明--訊號相對較大，你就不必太擔心噪音了。" 此外，他認為技術轉讓的潛力很大。"他建議："量子計算是關於產生糾纏作為一種資源，所以透過這類系統產生的糾纏微波光子可能是非常有用的。

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