我國科研團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子芯片上模擬黑洞的量子效應(yīng)

黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的一類特殊天體。20世紀(jì)70年代初，霍金、貝肯斯坦等的研究表明黑洞具有熱力學(xué)性質(zhì)：黑洞具有正比于其視界面積的熵；黑洞會以熱輻射的形式向外輻射粒子，其輻射溫度正比于其表面引力；黑洞的質(zhì)量、熵和溫度等滿足熱力學(xué)第一定律。黑洞的熱力學(xué)揭示了引力的量子效應(yīng)。因此普遍認(rèn)為黑洞是通向量子引力理論的窗口。    MG>;|*$%  
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實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)黑洞的量子效應(yīng)是頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，原因在于這些效應(yīng)非常微弱、極難觀測。例如，一個(gè)太陽質(zhì)量大小的黑洞，其對應(yīng)的霍金溫度只有10-8K ，遠(yuǎn)低于宇宙微波背景輻射的溫度（≈3K）。缺少直接的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)也是”引力量子化“理論研究遲滯不前的原因之一。在這樣的情形下，科學(xué)家試圖在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中創(chuàng)造出一個(gè)等效的“彎曲時(shí)空”并研究相關(guān)的效應(yīng)。這一研究被稱作“類比引力（analogue gravity）”。它是由Unruh效應(yīng)（一個(gè)在平坦時(shí)空中作加速運(yùn)動的觀測者將看到他處于一個(gè)熱浴中）的提出者William Unruh于1981年首先提出來的。近日，中國科學(xué)院理論物理研究所研究員蔡榮根、天津大學(xué)副教授楊潤秋，以及中國科學(xué)院物理研究所研究員范桁、副研究員許凱副研究員和博士生時(shí)運(yùn)豪等實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作，在”類比引力“的研究中取得進(jìn)展，在超導(dǎo)量子芯片上觀察到“模擬黑洞”的霍金輻射，并探討了彎曲時(shí)空對量子糾纏的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》【Nature Communications 14, 3263 (2023)】。 M$9h)3(B  
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這一工作的理論基礎(chǔ)是蔡榮根和楊潤秋等在前期研究提出的模型，即在愛丁頓-芬克爾斯坦坐標(biāo)下對空間坐標(biāo)離散化，1+1維的無質(zhì)量標(biāo)量場和狄拉克場可以被量子化，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晶格模型是頗具挑戰(zhàn)性的問題。在近日發(fā)表的實(shí)驗(yàn)工作中，這一挑戰(zhàn)被克服。研究利用一個(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，在模擬黑洞的內(nèi)部準(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。該團(tuán)隊(duì)利用量子態(tài)層析技術(shù)重構(gòu)出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，證實(shí)了存在類比的霍金輻射。此外，該團(tuán)隊(duì)還在黑洞內(nèi)部制備了一個(gè)Bell糾纏態(tài)并對比了平直和彎曲時(shí)空背景下的糾纏動力學(xué)。這一實(shí)驗(yàn)研究為在超導(dǎo)量子芯片中模擬彎曲時(shí)空和黑洞的量子效應(yīng)開辟了新路徑。    _aYQ(FO  
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該工作使用的可調(diào)耦合器件由超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SC5組研究員鄭東寧和副主任工程師相忠誠提供。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、北京市自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。日本理化學(xué)研究所和北京量子信息科學(xué)研究院的科研人員參與研究。