理論物理所等在超導量子芯片上模擬黑洞的量子效應

　　黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的一類特殊天體。20世紀70年代初，霍金、貝肯斯坦等的研究表明黑洞具有熱力學性質：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；黑洞的質量、熵和溫度等滿足熱力學第一定律。黑洞的熱力學揭示了引力的量子效應。因此普遍認為黑洞是通向量子引力理論的窗口。

　　實驗檢驗黑洞的量子效應是頗具挑戰性的任務，原因在于這些效應非常微弱、極難觀測。例如，一個太陽質量大小的黑洞，其對應的霍金溫度只有10-8K ，遠低于宇宙微波背景輻射的溫度（≈3K）。缺少直接的實驗檢驗也是”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，科學家試圖在實驗室系統中創造出一個等效的“彎曲時空”并研究相關的效應。這一研究被稱作“類比引力（analogue gravity）”。它是由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 Unruh于1981年首先提出來的。近日，中國科學院理論物理研究所研究員蔡榮根、天津大學副教授楊潤秋，以及中國科學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運豪等實驗團隊合作，在”類比引力“的研究中取得進展，在超導量子芯片上觀察到“模擬黑洞”的霍金輻射，并探討了彎曲時空對量子糾纏的影響。相關研究成果發表在《自然-通訊》【Nature Communications14, 3263 (2023)】。

　　這一工作的理論基礎是蔡榮根和楊潤秋等在前期研究提出的模型，即在愛丁頓-芬克爾斯坦坐標下對空間坐標離散化，1+1維的無質量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晶格模型是頗具挑戰性的問題。在近日發表的實驗工作中，這一挑戰被克服。研究利用一個具有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，在模擬黑洞的內部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。該團隊利用量子態層析技術重構出黑洞外部所有比特的密度矩陣，計算了相應的輻射概率，證實了存在類比的霍金輻射。此外，該團隊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。這一實驗研究為在超導量子芯片中模擬彎曲時空和黑洞的量子效應開辟了新路徑。

　　該工作使用的可調耦合器件由超導國家重點實驗室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基金委員會、科學技術部、北京市自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。日本理化學研究所和北京量子信息科學研究院的科研人員參與研究。