(資料圖)
黑洞概念圖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)） 1974年，斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）在一篇開創(chuàng)性的論文中提出，如果考慮量子效應(yīng)，黑洞將會(huì)具有非零的溫度并向外自發(fā)輻射粒子，以至于黑洞最終的宿命可能就是蒸發(fā)！“霍金輻射”的本質(zhì)是引力的量子效應(yīng)，這一舉世震驚的理論研究結(jié)果，更加激發(fā)了人們對(duì)于引力與量子力學(xué)融合的探索。但是根據(jù)霍金的計(jì)算，黑洞表面的溫度，即“霍金溫度”，是與黑洞質(zhì)量成反比的，對(duì)于一個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞而言，其霍金溫度只有 10 -8 K的量級(jí)，這個(gè)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于宇宙微波背景輻射的溫度（約3K ） ，更大質(zhì)量的黑洞對(duì)應(yīng)的霍金溫度還要更低。我們知道，恒星黑洞的質(zhì)量通常在幾倍到幾十倍太陽質(zhì)量之間，而超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量則可以達(dá)到數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量。這意味著，要想直接以天文學(xué)的技術(shù)手段來觀測(cè)真實(shí)黑洞的霍金輻射幾乎是不可能的。 斯蒂芬 ·威廉·霍金（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)） 通常，物理學(xué)家會(huì)抓住主要矛盾，在研究一件事物的時(shí)候，他們會(huì)創(chuàng)造性地簡(jiǎn)化模型或者是運(yùn)用“類比”的思想方法將兩件不同的事物聯(lián)系在一起，尋找它們?cè)谖锢砗蛿?shù)學(xué)規(guī)律上的相似性，進(jìn)而選擇一種相對(duì)簡(jiǎn)單的研究對(duì)象。 既然實(shí)際觀測(cè)黑洞霍金輻射是那樣遙不可及，那么是否可以在人工實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造一個(gè)等效的“黑洞”并探究它所帶來的“類比引力”效應(yīng)呢？這樣的“類比引力”實(shí)驗(yàn)由著名的Unruh效應(yīng)（一個(gè)在平坦時(shí)空中作加速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者將看到他處于一個(gè)熱浴中）的提出者William G. Unruh于1981年首次提出，他證明了在引力場(chǎng)中的無質(zhì)量標(biāo)量場(chǎng)方程等價(jià)于運(yùn)動(dòng)流體中的聲波方程，在黑洞視界附近場(chǎng)的行為可以用跨聲速流體中的聲波來描述。就像光無法逃逸出黑洞一樣，聲子只能在亞音速流動(dòng)區(qū)域內(nèi)傳播，亞音速和超音速區(qū)域之間的邊界可以看作是“聲子黑洞”的視界，即“聲學(xué)視界”。如果考慮聲場(chǎng)的量子化，這個(gè)聲學(xué)視界會(huì)具有非零的溫度并向外自發(fā)輻射聲子，這種效應(yīng)正好類比于黑洞的霍金輻射！ “類比引力”的提出降低了實(shí)驗(yàn)研究霍金輻射的技術(shù)要求，讓人們?cè)谙鄬?duì)經(jīng)濟(jì)的、占地面積更小的人工實(shí)驗(yàn)室中就能夠構(gòu)造一個(gè)等效的黑洞時(shí)空并模擬如霍金輻射這樣有趣而深刻的現(xiàn)象。 最近，來自中國(guó)科學(xué)院物理研究所、理論物理研究所以及天津大學(xué)量子交叉中心的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在一個(gè)可調(diào)耦合超導(dǎo)量子芯片上首次實(shí)現(xiàn)了晶格模型的類比黑洞模擬，觀測(cè)了類比的霍金輻射及相關(guān)糾纏動(dòng)力學(xué)，結(jié)果已發(fā)表于《自然·通訊》雜志。 該實(shí)驗(yàn)受到此前由中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所和天津大學(xué)量子交叉中心等的單位合作的理論工作啟發(fā)。這一個(gè)理論工作指出：在愛丁頓-芬克爾斯坦坐標(biāo)下，考慮無質(zhì)量極限并對(duì)空間坐標(biāo)離散化，1+1維的標(biāo)量場(chǎng)和狄拉克場(chǎng)可以被量子化，并等價(jià)于耦合強(qiáng)度隨格點(diǎn)位置變化的XY晶格模型；彎曲時(shí)空背景的度規(guī)信息則被編碼在耦合強(qiáng)度的分布函數(shù)中。然而如何在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)耦合強(qiáng)度具有特定分布的XY晶格模型是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的問題。 為了克服這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用了一個(gè)具有10個(gè)量子比特與9個(gè)耦合器構(gòu)成的一維陣列超導(dǎo)量子芯片，通過精確控制耦合器使比特之間的等效耦合強(qiáng)度按照從負(fù)到正分布實(shí)現(xiàn)了1+1維的彎曲時(shí)空背景，并觀測(cè)了準(zhǔn)粒子在彎曲時(shí)空背景下的傳播行為。結(jié)果表明，在類比黑洞內(nèi)部的準(zhǔn)粒子總是有一定概率通過視界輻射出去，其輻射概率滿足霍金輻射譜。團(tuán)隊(duì)利用量子態(tài)層析技術(shù)重構(gòu)出了黑洞外部所有比特的密度矩陣，計(jì)算了相應(yīng)的輻射概率，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了類比的霍金輻射。除此之外，他們還在黑洞內(nèi)部制備了一個(gè)Bell糾纏態(tài)并對(duì)比了平直和彎曲時(shí)空背景下的糾纏動(dòng)力學(xué)。該工作為超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)模擬彎曲時(shí)空和黑洞的量子效應(yīng)開辟了道路。 超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)模擬類比黑洞概念圖（中國(guó)科學(xué)院物理研究所 Q 03 組供圖） 超導(dǎo)芯片上的黑洞、彎曲時(shí)空耦合強(qiáng)度分布以及部分實(shí)驗(yàn)脈沖序列（圖片來源于論文[4]） 近年來，量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，目前以超導(dǎo)、離子阱等主流技術(shù)體系構(gòu)建出的專用量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以在一定程度上模擬各種新奇的物理現(xiàn)象。盡管制造一臺(tái)像“MOSS（原名：550W）”這樣的智能通用量子計(jì)算機(jī)仍然是科幻想象，但是人類追尋終極目標(biāo)的腳步不會(huì)停止，量子計(jì)算領(lǐng)域正朝著更大規(guī)模、更高精度邁進(jìn)！我們相信終有一天，“火雞科學(xué)家”也能夠走出“農(nóng)場(chǎng)”，實(shí)現(xiàn)“ ”到“ ”的躍遷。 參考文獻(xiàn)：
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2. R.-G. Cai and R.-Q. Yang, Gravity and black holes in analog systems, Physics, 49(7): 421-430 (2020).
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4. Y.-H. Shi, R.-Q. Yang, Z. Xiang, Z.-Y. Ge, H. Li, Y.-Y. Wang, K. Huang, Y. Tian, X. Song, D. Zheng, K. Xu, R.-G. Cai, H. Fan, Quantum simulation of Hawking radiation and curved spacetime with a superconducting on-chip black hole, Nat. Comm. 14, 3263 (2023).
5. R.-Q. Yang, H. Liu, S. Zhu, L. Luo, and R.-G. Cai, Simulating quantum field theory in curved spacetime with quantum many-body systems, Phys. Rev. Research 2, 023107 (2020). 本賬號(hào)稿件默認(rèn)開啟 微信 “快捷轉(zhuǎn)載”
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