超导量子计算机模拟黑洞霍金辐射和弯曲时空?

作者: 时运豪

来源: 中国科学院之声

发布日期: 2023-06-27 07:30:34

中国科学院物理研究所、理论物理研究所以及天津大学量子交叉中心的联合团队在一个可调耦合超导量子芯片上首次实现了晶格模型的类比黑洞模拟,观测了类比的霍金辐射及相关纠缠动力学,结果已发表于《自然·通讯》杂志。

1974年,斯蒂芬·威廉·霍金在一篇开创性的论文中提出,如果考虑量子效应,黑洞将会具有非零的温度并向外自发辐射粒子,以至于黑洞最终的宿命可能就是蒸发!“霍金辐射”的本质是引力的量子效应,这一举世震惊的理论研究结果,更加激发了人们对于引力与量子力学融合的探索。

但是根据霍金的计算,黑洞表面的温度,即“霍金温度”,是与黑洞质量成反比的,对于一个太阳质量的黑洞而言,其霍金温度只有10-8K的量级,这个温度远远低于宇宙微波背景辐射的温度(约3K),更大质量的黑洞对应的霍金温度还要更低。

“类比引力”实验通常,物理学家会抓住主要矛盾,在研究一件事物的时候,他们会创造性地简化模型或者是运用“类比”的思想方法将两件不同的事物联系在一起,寻找它们在物理和数学规律上的相似性,进而选择一种相对简单的研究对象。既然实际观测黑洞霍金辐射是那样遥不可及,那么是否可以在人工实验室中创造一个等效的“黑洞”并探究它所带来的“类比引力”效应呢?

这样的“类比引力”实验由著名的Unruh效应的提出者William G. Unruh于1981年首次提出,他证明了在引力场中的无质量标量场方程等价于运动流体中的声波方程,在黑洞视界附近场的行为可以用跨声速流体中的声波来描述。

超导量子芯片上的“黑洞”最近,来自中国科学院物理研究所、理论物理研究所以及天津大学量子交叉中心的联合团队在一个可调耦合超导量子芯片上首次实现了晶格模型的类比黑洞模拟,观测了类比的霍金辐射及相关纠缠动力学,结果已发表于《自然·通讯》杂志。该实验受到此前由中国科学院理论物理研究所和天津大学量子交叉中心等的单位合作的理论工作启发。

这一个理论工作指出:在爱丁顿-芬克尔斯坦坐标下,考虑无质量极限并对空间坐标离散化,1+1维的标量场和狄拉克场可以被量子化,并等价于耦合强度随格点位置变化的XY晶格模型;弯曲时空背景的度规信息则被编码在耦合强度的分布函数中。

近年来,量子计算实验领域得到了快速的发展,目前以超导、离子阱等主流技术体系构建出的专用量子计算机已经可以在一定程度上模拟各种新奇的物理现象。尽管制造一台像“MOSS(原名:550W)”这样的智能通用量子计算机仍然是科幻想象,但是人类追寻终极目标的脚步不会停止,量子计算领域正朝着更大规模、更高精度迈进!

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