超导量子计算机模拟黑洞霍金辐射和弯曲时空？

2023-06-28 04:41:06 来源：中科院之声小 中

(资料图片仅供参考)

黑洞概念图（图片来源于网络）

1974年，斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）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。我们知道，恒星黑洞的质量通常在几倍到几十倍太阳质量之间，而超大质量黑洞的质量则可以达到数百万倍甚至数十亿倍太阳质量。这意味着，要想直接以天文学的技术手段来观测真实黑洞的霍金辐射几乎是不可能的。

斯蒂芬 ·威廉·霍金（图片来源于网络）

“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（一个在平坦时空中作加速运动的观测者将看到他处于一个热浴中）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。就像光无法逃逸出黑洞一样，声子只能在亚音速流动区域内传播，亚音速和超音速区域之间的边界可以看作是“声子黑洞”的视界，即“声学视界”。如果考虑声场的量子化，这个声学视界会具有非零的温度并向外自发辐射声子，这种效应正好类比于黑洞的霍金辐射！

“类比引力”的提出降低了实验研究霍金辐射的技术要求，让人们在相对经济的、占地面积更小的人工实验室中就能够构造一个等效的黑洞时空并模拟如霍金辐射这样有趣而深刻的现象。

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。然而如何在实验中实现这样一个耦合强度具有特定分布的XY晶格模型是一个极具挑战的问题。

为了克服这一挑战，中国科学院物理研究所的实验团队利用了一个具有10个量子比特与9个耦合器构成的一维阵列超导量子芯片，通过精确控制耦合器使比特之间的等效耦合强度按照从负到正分布实现了1+1维的弯曲时空背景，并观测了准粒子在弯曲时空背景下的传播行为。结果表明，在类比黑洞内部的准粒子总是有一定概率通过视界辐射出去，其辐射概率满足霍金辐射谱。团队利用量子态层析技术重构出了黑洞外部所有比特的密度矩阵，计算了相应的辐射概率，实验验证了类比的霍金辐射。除此之外，他们还在黑洞内部制备了一个Bell纠缠态并对比了平直和弯曲时空背景下的纠缠动力学。该工作为超导量子计算机模拟弯曲时空和黑洞的量子效应开辟了道路。

超导量子计算机模拟类比黑洞概念图（中国科学院物理研究所 Q 03 组供图）

超导芯片上的黑洞、弯曲时空耦合强度分布以及部分实验脉冲序列（图片来源于论文[4]）

“ ” 已定格过去， “ ” 仍在未来

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！我们相信终有一天，“火鸡科学家”也能够走出“农场”，实现“ ”到“ ”的跃迁。

参考文献：

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).

来源：中国科学院物理研究所

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