但是实验检验黑洞的量子效应是一个极其挑战的任务,因为这些效应非常微弱,极难观测。比如一个太阳质量大小的黑洞,其对应的霍金温度只有10-8K ,远远低于宇宙微波背景辐射的温度(≈3K)。缺少直接的实验检验也是”引力量子化“理论研究迟滞不前的一个原因。在这样的情形下,人们试图在实验室系统中创造出一个等效的“弯曲时空”并研究相关的效应。这一研究被称作“类比引力(analogue gravity)”。它是由著名的Unruh效应(一个在平坦时空中作加速运动的观测者将看到他处于一个热浴中)的提出者William Unruh 于1981年首先提出来的[1]。近日,中科院理论物理所蔡荣根研究员和中科院理论物理所博士毕业生、现天津大学理学院量子交叉中心副教授杨润秋一起,与中科院物理所范桁研究员、许凯副研究员以及博士生时运豪等实验团队合作,在”类比引力“的研究上取得重要进展,在超导量子芯片上观察到了“模拟黑洞”的霍金辐射并研究了弯曲时空对量子纠缠的影响,相关工作发表在Nat. Comm. 14, 3263 (2023)[2]。
图1、超导芯片上的黑洞、弯曲时空耦合强度分布以及部分实验脉冲序列
该项工作所使用的可调耦合器件由超导国家重点实验室SC5组郑东宁研究员和相忠诚副主任工程师提供。其他合作者还包括日本理化学研究所博士后葛自勇,Q03组博士生李浩(联合培养)、王永逸,北京量子信息科学研究院博士后黄凯旋,田野副研究员以及Q02组宋小会副研究员。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金和中科院先导专项等的资助。参考文献
[1] W. G. Unruh, Experimental Black-Hole Evaporation?, Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981).
[2] 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).
[3] 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).