在超导量子芯片上模拟黑洞的量子效应

    黑洞是爱因斯坦广义相对论的预言的一类致密天体。近些年，黑洞的相关研究一直都是理论物理和实验物理的热点问题之一。上世纪70年代初霍金、贝肯斯坦等的研究表明黑洞具有量子效应：它会以热辐射的形式向外辐射粒子。这一发现使得黑洞成为通向量子引力的窗口。

    但是实验检验黑洞的这一量子效应是一个极其挑战的任务，因为这些效应非常微弱，极难观测。比如一个太阳质量大小的黑洞其对应的霍金温度只有10^-8 K，远远低于宇宙微波背景辐射的温度（≈ 3 K）。在这样的情形下，人们试图在实验室系统中创造出一个等效的“弯曲时空”并研究相关的效应。这一研究被称作“类比引力（analogue gravity）”。它是由著名的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 Unruh 于1981年首先提出来的^[1]。近日，天津大学理学院量子交叉研究中心副教授杨润秋与中国科学院理论物理研究所以及物理研究所等团队合作，在“类比引力”的研究上取得重要进展。研究团队在超导量子芯片上观察到了“模拟黑洞”的霍金辐射并研究了弯曲时空对量子纠缠的影响。相关工作发表在Nat. Comm. 14, 3263 (2023)^[2]。

    这一工作的理论基础是基于杨润秋副教授等人在前期文章^[3]中提出的模型，即：在爱丁顿-芬克尔斯坦坐标下对空间坐标离散化，1+1维的无质量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。在近日发表的这一实验工作中，这一挑战被克服。研究人员利用了一个具有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，在模拟黑洞的内部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，证实了存在类比的霍金辐射。除此之外，团队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。这一实验研究为在超导量子芯片中模拟弯曲时空和黑洞的量子效应开辟了新路径。

图1、超导芯片上的黑洞——低温实验装置与外围电路

    该项工作所使用的可调耦合器件由超导国家重点实验室SC5组郑东宁研究员和相忠诚副主任工程师提供。其他合作者还包括日本理化学研究所博士后葛自勇，Q03组博士生李浩(联合培养)、王永逸，北京量子信息科学研究院博士后黄凯旋，田野副研究员以及Q02组宋小会副研究员。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金和中科院先导专项等的资助。

[1] W. G. Unruh, Experimental Black-Hole Evaporation?, Phys. Rev. Lett. 46, 1351 (1981).

[2] 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).

[3] 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).