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太牛!他们在量子实验室造出了人工黑洞

现代快报讯(记者 胡玉梅 许军)2019年,首张黑洞照片亮相,让人们见识了黑洞的长相。而这也引起了人们更大的好奇心:黑洞真的什么都吞,只进不出吗?未来,人们是否可以像“都敏俊”教授一样在时空中穿梭?

由于技术的限制,人类目前仍然无法到达黑洞附近,直接观测黑洞边缘的粒子行为。那么,能否在实验室中模拟黑洞边缘呢?上海交通大学教授金贤敏团队与南京大学祝世宁院士、刘辉教授团队合作,利用微小的光子芯片,成功构造了一个人工黑洞,并成功实现了对人工黑洞视界附近粒子对产生和演化过程的量子模拟。该研究成果近日发表在《国家科学评论》上。

而对祝世宁及其团队而言,黑洞,并不陌生。2013年,祝世宁及其团队在一块微小的光子芯片上,模拟出光在天体引力场中的传播,观察到光受引力场吸引所产生的弯曲——弯曲得太厉害就形成黑洞,光逃不出来。

“和2013年不同的是,我们这次的实验拓展到了有关量子现象的模拟。”南京大学副教授盛冲是科研团队成员之一,他介绍说,和当年的光子芯片的经典模拟不同,这次做的是一个量子模拟实验。“目前科技还无法让一个人去黑洞边缘去测量,所以我们研究首先是从简化开始,采用飞秒激光制备波导阵列光子芯片的方式制造了黑洞边缘的引力体系,利用物理的类比思想来开展研究。虽然光子芯片是另外一个物理体系,但是可以用来描述黑洞附近粒子的演化过程,是有科学参考价值的。”

盛冲告诉现代快报记者,量子模拟实验中的“黑洞”芯片长度只有10毫米,由100个10多微米的光纤波导阵列组成,构造出了对于光子来说和黑洞边缘完全相同的环境。

“我们把制造出的一个个单光子打入模拟出的黑洞边缘势场,光子进入途中的各种变化都会被飞秒激光直写技术记录,我们就能观测到类似黑洞附近量子场涨落而产生粒子的加速演化或者逃逸过程。”盛冲介绍说,以往对于黑洞的研究,大多是经典体系的模拟,如激光光束轨迹一类的实验,而本次的研究则是制造了一个类比的引力系统,而后把单个光量子引入,可以说是第一个把量子光学和引力体系结合起来的实验。

这些被吞吃的物质,都在黑洞被永久“储存”吗?霍金给出的答案是:NO。1974年,霍金用量子效应理论推测出,宇宙中存在一种由黑洞散发出来的热辐射,它能够让黑洞失去质量;甚至当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小,最终消失。这种热辐射,也被称作霍金辐射。

这次实验,祝世宁团队首次用量子效应,模拟了霍金效应。“真正探测到霍金辐射目前是不可能的,因为它的温度比宇宙的背景辐射还低,在物理学中,科学家利用不同体系去模拟霍金辐射,如声波、水波。我们团队此次的研究,是第一个在光量子芯片的实验中模拟霍金辐射,也部分验证了霍金辐射的理论。”盛冲告诉现代快报记者。

盛冲表示,研究团队通过设计双层的光子波导晶格并实验观察了费米子对在黑洞视界附近处的加速、产生和演化,结论为,一个具有正能量的单光子波包成功逃离黑洞而具有负能量的单光子波包却被黑洞捕获。

这个结果违背了粒子总是被黑洞捕获的经典物理图象,它与霍金辐射相似,源自与引力效应相关的量子效应。通过实验观察到,由于真空涨落产生的粒子-反粒子对在黑洞的视界附近有不同的演化行为,具有负能量的粒子落入黑洞,而具有正能量的粒子则逃逸,导致黑洞失去质量,从外面来看则是黑洞向外释放了一个粒子。

黑洞总是会让人联想到虫洞,而后拓展到人类的星际旅行、时空穿梭,这一切都存在于理论中。那么光子在更高维的弯曲时空实验中,是否能验证时空穿梭现象呢?

盛冲表示,基于波导阵列的光子芯片,在未来的研究中可以构建更高维的弯曲时空。例如,可以用二维波导阵列来模拟三维时空,也可以用二维波导阵列加上光子偏振或频率来模拟四维时空。此外,由于传播方向在波导阵列中扮演时间的角色,因此还可以模拟动态的弯曲时空度规,如膨胀的宇宙,以及时空的涟漪——引力波等。

“在未来,我们可以通过实验来验证粒子是否进行了时空穿梭。不过这里的时空穿梭,和科幻片的穿越不一样。未来的实验,将会给光子加载一些信息,让它传递给另一个光子。正常情况下,比如这个光子在考虑传播介质损耗的情况下在它的寿命期是无法把信息传递给另一个光子的,但是通过模拟弯曲了时空,造出一个类似虫洞捷径可以将光子携带的信息成功的传递出去。

此外,现代快报记者了解到,这种光子在阵列芯片中传输的过程还可以被用于实现未来的量子计算。

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