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1974年，斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）在一篇開創性的論文中提出，如果考慮量子效應，黑洞將會具有非零的溫度并向外自發輻射粒子，以至于黑洞最終的宿命可能就是蒸發！“霍金輻射”的本質是引力的量子效應，這一舉世震驚的理論研究結果，更加激發了人們對于引力與量子力學融合的探索。但是根據霍金的計算，黑洞表面的溫度，即“霍金溫度”，是與黑洞質量成反比的，對于一個太陽質量的黑洞而言，其霍金溫度只有 10 -8 K的量級，這個溫度遠遠低于宇宙微波背景輻射的溫度（約3K ） ，更大質量的黑洞對應的霍金溫度還要更低。我們知道，恒星黑洞的質量通常在幾倍到幾十倍太陽質量之間，而超大質量黑洞的質量則可以達到數百萬倍甚至數十億倍太陽質量。這意味著，要想直接以天文學的技術手段來觀測真實黑洞的霍金輻射幾乎是不可能的。 通常，物理學家會抓住主要矛盾，在研究一件事物的時候，他們會創造性地簡化模型或者是運用“類比”的思想方法將兩件不同的事物聯系在一起，尋找它們在物理和數學規律上的相似性，進而選擇一種相對簡單的研究對象。 既然實際觀測黑洞霍金輻射是那樣遙不可及，那么是否可以在人工實驗室中創造一個等效的“黑洞”并探究它所帶來的“類比引力”效應呢？這樣的“類比引力”實驗由著名的Unruh效應（一個在平坦時空中作加速運動的觀測者將看到他處于一個熱浴中）的提出者William G. Unruh于1981年首次提出，他證明了在引力場中的無質量標量場方程等價于運動流體中的聲波方程，在黑洞視界附近場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區域內傳播，亞音速和超音速區域之間的邊界可以看作是“聲子黑洞”的視界，即“聲學視界”。如果考慮聲場的量子化，這個聲學視界會具有非零的溫度并向外自發輻射聲子，這種效應正好類比于黑洞的霍金輻射！ “類比引力”的提出降低了實驗研究霍金輻射的技術要求，讓人們在相對經濟的、占地面積更小的人工實驗室中就能夠構造一個等效的黑洞時空并模擬如霍金輻射這樣有趣而深刻的現象。 最近，來自中國科學院物理研究所、理論物理研究所以及天津大學量子交叉中心的聯合團隊在一個可調耦合超導量子芯片上首次實現了晶格模型的類比黑洞模擬，觀測了類比的霍金輻射及相關糾纏動力學，結果已發表于《自然·通訊》雜志。 該實驗受到此前由中國科學院理論物理研究所和天津大學量子交叉中心等的單位合作的理論工作啟發。這一個理論工作指出：在愛丁頓-芬克爾斯坦坐標下，考慮無質量極限并對空間坐標離散化，1+1維的標量場和狄拉克場可以被量子化，并等價于耦合強度隨格點位置變化的XY晶格模型；彎曲時空背景的度規信息則被編碼在耦合強度的分布函數中。然而如何在實驗中實現這樣一個耦合強度具有特定分布的XY晶格模型是一個極具挑戰的問題。 為了克服這一挑戰，中國科學院物理研究所的實驗團隊利用了一個具有10個量子比特與9個耦合器構成的一維陣列超導量子芯片，通過精確控制耦合器使比特之間的等效耦合強度按照從負到正分布實現了1+1維的彎曲時空背景，并觀測了準粒子在彎曲時空背景下的傳播行為。結果表明，在類比黑洞內部的準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。團隊利用量子態層析技術重構出了黑洞外部所有比特的密度矩陣，計算了相應的輻射概率，實驗驗證了類比的霍金輻射。除此之外，他們還在黑洞內部制備了一個Bell糾纏態并對比了平直和彎曲時空背景下的糾纏動力學。該工作為超導量子計算機模擬彎曲時空和黑洞的量子效應開辟了道路。 超導量子計算機模擬類比黑洞概念圖（中國科學院物理研究所 Q 03 組供圖） 超導芯片上的黑洞、彎曲時空耦合強度分布以及部分實驗脈沖序列（圖片來源于論文[4]） 近年來，量子計算實驗領域得到了快速的發展，目前以超導、離子阱等主流技術體系構建出的專用量子計算機已經可以在一定程度上模擬各種新奇的物理現象。盡管制造一臺像“MOSS（原名：550W）”這樣的智能通用量子計算機仍然是科幻想象，但是人類追尋終極目標的腳步不會停止，量子計算領域正朝著更大規模、更高精度邁進！我們相信終有一天，“火雞科學家”也能夠走出“農場”，實現“ ”到“ ”的躍遷。 參考文獻：
1. S. W. Hawking, Black hole explosions?, Nature 248, 30 (1974).
2. R.-G. Cai and R.-Q. Yang, Gravity and black holes in analog systems, Physics, 49(7): 421-430 (2020).
3. W. G. Unruh, Experimental Black-Hole Evaporation?, Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981).
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). 本賬號稿件默認開啟 微信 “快捷轉載”
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