太牛!他們在量子實驗室造出了人工黑洞

2020-11-28 北青網

現代快報訊（記者 胡玉梅 許軍）2019年，首張黑洞照片亮相，讓人們見識了黑洞的長相。而這也引起了人們更大的好奇心：黑洞真的什麼都吞，只進不出嗎？未來，人們是否可以像「都敏俊」教授一樣在時空中穿梭？

由於技術的限制，人類目前仍然無法到達黑洞附近，直接觀測黑洞邊緣的粒子行為。那麼，能否在實驗室中模擬黑洞邊緣呢？上海交通大學教授金賢敏團隊與南京大學祝世寧院士、劉輝教授團隊合作，利用微小的光子晶片，成功構造了一個人工黑洞，並成功實現了對人工黑洞視界附近粒子對產生和演化過程的量子模擬。該研究成果近日發表在《國家科學評論》上。

量子實驗室裡的黑洞是個小晶片

黑洞究竟長什麼樣？這對很多人而言，神秘，不可思議。

而對祝世寧及其團隊而言，黑洞，並不陌生。2013年，祝世寧及其團隊在一塊微小的光子晶片上，模擬出光在天體引力場中的傳播，觀察到光受引力場吸引所產生的彎曲——彎曲得太厲害就形成黑洞，光逃不出來。

△光子晶片上構造的一維人工黑洞。 被訪者供圖

「和2013年不同的是，我們這次的實驗拓展到了有關量子現象的模擬。」南京大學副教授盛衝是科研團隊成員之一，他介紹說，和當年的光子晶片的經典模擬不同，這次做的是一個量子模擬實驗。「目前科技還無法讓一個人去黑洞邊緣去測量，所以我們研究首先是從簡化開始，採用飛秒雷射製備波導陣列光子晶片的方式製造了黑洞邊緣的引力體系，利用物理的類比思想來開展研究。雖然光子晶片是另外一個物理體系，但是可以用來描述黑洞附近粒子的演化過程，是有科學參考價值的。」

盛衝告訴現代快報記者，量子模擬實驗中的「黑洞」晶片長度只有10毫米，由100個10多微米的光纖波導陣列組成，構造出了對於光子來說和黑洞邊緣完全相同的環境。

「我們把製造出的一個個單光子打入模擬出的黑洞邊緣勢場，光子進入途中的各種變化都會被飛秒雷射直寫技術記錄，我們就能觀測到類似黑洞附近量子場漲落而產生粒子的加速演化或者逃逸過程。」盛衝介紹說，以往對於黑洞的研究，大多是經典體系的模擬，如雷射光束軌跡一類的實驗，而本次的研究則是製造了一個類比的引力系統，而後把單個光量子引入，可以說是第一個把量子光學和引力體系結合起來的實驗。

黑洞能吞吃，真的只進不出嗎？

在大家心目中，黑洞超能吞，不管是什麼，只要靠近它就被吞吃了，甚至連光都被吃掉。

這些被吞吃的物質，都在黑洞被永久「儲存」嗎？霍金給出的答案是：NO。1974年，霍金用量子效應理論推測出，宇宙中存在一種由黑洞散發出來的熱輻射，它能夠讓黑洞失去質量；甚至當黑洞損失的質量比增加的質量多的時候就會造成縮小，最終消失。這種熱輻射，也被稱作霍金輻射。

這次實驗，祝世寧團隊首次用量子效應，模擬了霍金效應。「真正探測到霍金輻射目前是不可能的，因為它的溫度比宇宙的背景輻射還低，在物理學中，科學家利用不同體系去模擬霍金輻射，如聲波、水波。我們團隊此次的研究，是第一個在光量子晶片的實驗中模擬霍金輻射，也部分驗證了霍金輻射的理論。」盛衝告訴現代快報記者。

盛衝表示，研究團隊通過設計雙層的光子波導晶格並實驗觀察了費米子對在黑洞視界附近處的加速、產生和演化，結論為，一個具有正能量的單光子波包成功逃離黑洞而具有負能量的單光子波包卻被黑洞捕獲。

這個結果違背了粒子總是被黑洞捕獲的經典物理圖象，它與霍金輻射相似，源自與引力效應相關的量子效應。通過實驗觀察到，由於真空漲落產生的粒子-反粒子對在黑洞的視界附近有不同的演化行為，具有負能量的粒子落入黑洞，而具有正能量的粒子則逃逸，導致黑洞失去質量，從外面來看則是黑洞向外釋放了一個粒子。

將模擬高維彎曲時空，驗證光子時空穿梭

「現在的實驗結果只是一維黑洞，後續，我們要做更高維度的黑洞。」盛衝說。

黑洞總是會讓人聯想到蟲洞，而後拓展到人類的星際旅行、時空穿梭，這一切都存在於理論中。那麼光子在更高維的彎曲時空實驗中，是否能驗證時空穿梭現象呢？

盛衝表示，基于波導陣列的光子晶片，在未來的研究中可以構建更高維的彎曲時空。例如，可以用二維波導陣列來模擬三維時空，也可以用二維波導陣列加上光子偏振或頻率來模擬四維時空。此外，由於傳播方向在波導陣列中扮演時間的角色，因此還可以模擬動態的彎曲時空度規，如膨脹的宇宙，以及時空的漣漪——引力波等。

「在未來，我們可以通過實驗來驗證粒子是否進行了時空穿梭。不過這裡的時空穿梭，和科幻片的穿越不一樣。未來的實驗，將會給光子加載一些信息，讓它傳遞給另一個光子。正常情況下，比如這個光子在考慮傳播介質損耗的情況下在它的壽命期是無法把信息傳遞給另一個光子的，但是通過模擬彎曲了時空，造出一個類似蟲洞捷徑可以將光子攜帶的信息成功的傳遞出去。

此外，現代快報記者了解到，這種光子在陣列晶片中傳輸的過程還可以被用於實現未來的量子計算。

責任編輯：朱佳琪(EN042)

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