De fundamentele krachten van de natuurkunde beheersen de materie waaruit het universum bestaat, maar hoe deze krachten precies samenwerken, is nog steeds niet volledig begrepen. Het bestaan ​​van Hawking-straling - de deeltjesemissie van nabije zwarte gaten - geeft aan dat de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica moeten samenwerken. Maar het rechtstreeks waarnemen van Hawking-straling van een zwart gat is bijna onmogelijk vanwege de achtergrondruis van het universum, dus hoe kunnen onderzoekers het bestuderen om beter te begrijpen hoe de krachten op elkaar inwerken en integreren in een 'theorie van alles'?

Volgens Haruna Katayama, een doctoraalstudent aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering van de Universiteit van Hiroshima, omdat onderzoekers geen Hawking-straling kunnen waarnemen, Hawkingstraling moet naar de onderzoekers worden gebracht. Ze heeft een kwantumcircuit voorgesteld dat fungeert als een zwart-gatlaser, het verstrekken van een lab-bench black hole-equivalent met voordelen ten opzichte van eerder voorgestelde versies. Het voorstel werd op 27 september gepubliceerd Wetenschappelijke rapporten .

"In dit onderzoek, we bedachten een kwantumcircuit-lasertheorie met een analoog zwart gat en een wit gat als resonator, ' zei Katayam.

Een wit gat is een theoretische partner van een zwart gat dat licht en materie uitzendt in gelijke tegenstelling tot licht en materie die een zwart gat consumeert. In het voorgestelde elektrische circuit, een metamateriaal dat is ontworpen om sneller dan het licht te bewegen, de ruimte tussen horizonten overspant, waar de Hawking-straling wordt uitgezonden.

"De eigenschap van superluminale snelheid is onmogelijk in een normaal medium dat is gevestigd in een gewoon circuit, "Zei Katayama. "Het metamateriële element maakt het mogelijk voor Hawking-straling om heen en weer te reizen tussen horizonten, en het Josephson-effect - dat een continue stroomstroom beschrijft die zich zonder spanning voortplant - speelt een belangrijke rol bij het versterken van de Hawking-straling door de modusomzetting aan de horizon, het nabootsen van het gedrag tussen de witte en zwarte gaten."

Het voorstel van Katayama bouwt voort op eerder voorgestelde optische zwart-gatlasers door het metamateriaal te introduceren dat superluminale snelheid mogelijk maakt en het Josephson-effect te benutten om de Hawking-straling te versterken. Het resulterende kwantumcircuit induceert een soliton, een gelokaliseerde, zelfversterkende golfvorm die snelheid en vorm behoudt totdat externe factoren het systeem instorten.

"In tegenstelling tot eerder voorgestelde zwart-gatlasers, onze versie heeft een zwart gat/wit gat holte gevormd binnen een enkele soliton, waar Hawking-straling buiten de soliton wordt uitgezonden, zodat we het kunnen evalueren, ' zei Katayam.

Hawking-straling wordt geproduceerd als verstrengelde deeltjesparen, met één binnen en één buiten de horizon. Volgens Katayama, het waarneembare verstrengelde deeltje draagt ​​de schaduw van zijn partnerdeeltje. Als zodanig, de kwantumcorrelatie tussen de twee deeltjes kan wiskundig worden bepaald zonder de gelijktijdige waarneming van beide deeltjes.

"De detectie van deze verstrengeling is onmisbaar voor de bevestiging van Hawking-straling, ' zei Katayam.

Echter, Katayama waarschuwde, het lab Hawking-straling verschilt van echte Hawking-straling van zwart gat vanwege de normale spreiding van licht in het voorgestelde systeem. De componenten van licht splitsen zich in één richting, als in een regenboog. Als de componenten zo kunnen worden bestuurd dat sommige kunnen omkeren en terugveren, de resulterende in het laboratorium gemaakte Hawking-straling zou dezelfde positieve frequentie van echte Hawking-straling van een zwart gat weerspiegelen. Ze onderzoekt nu hoe ze afwijkende dispersie kan integreren om tot een beter vergelijkbaar resultaat te komen.

"In de toekomst, we willen dit systeem ontwikkelen voor kwantumcommunicatie tussen verschillende ruimtetijden met behulp van Hawking-straling, "Katayama zei, wijzend op de schaalbaarheid en beheersbaarheid van het systeem als voordelen bij het ontwikkelen van kwantumtechnologieën.