Les forces fondamentales de la physique régissent la matière constituant l'univers, pourtant exactement comment ces forces fonctionnent ensemble n'est toujours pas entièrement comprise. L'existence du rayonnement de Hawking - l'émission de particules des trous noirs proches - indique que la relativité générale et la mécanique quantique doivent coopérer. Mais observer directement le rayonnement de Hawking d'un trou noir est presque impossible en raison du bruit de fond de l'univers, alors comment les chercheurs peuvent-ils l'étudier pour mieux comprendre comment les forces interagissent et s'intègrent dans une « théorie du tout » ?

Selon Haruna Katayama, doctorant à la Graduate School of Advanced Science and Engineering de l'Université d'Hiroshima, puisque les chercheurs ne peuvent pas observer le rayonnement de Hawking, Le rayonnement de Hawking doit être apporté aux chercheurs. Elle a proposé un circuit quantique qui agit comme un laser à trou noir, fournir un équivalent trou noir de laboratoire avec des avantages par rapport aux versions proposées précédemment. La proposition a été publiée le 27 septembre Rapports scientifiques .

"Dans cette étude, nous avons conçu une théorie du laser à circuit quantique utilisant un trou noir analogique et un trou blanc comme résonateur, " a déclaré Katayama.

Un trou blanc est un partenaire théorique d'un trou noir qui émet de la lumière et de la matière en opposition égale à la lumière et à la matière qu'un trou noir consomme. Dans le circuit électrique proposé, un métamatériau conçu pour permettre un mouvement plus rapide que la lumière s'étend sur l'espace entre les horizons, près duquel le rayonnement de Hawking est émis.

"La propriété de vitesse supraluminique est impossible dans un milieu normal établi dans un circuit ordinaire, " a déclaré Katayama. " L'élément métamatériau permet au rayonnement de Hawking de voyager dans les deux sens entre les horizons, et l'effet Josephson - qui décrit un flux continu de courant qui se propage sans tension - joue un rôle important dans l'amplification du rayonnement de Hawking par la conversion de mode aux horizons, imitant le comportement entre les trous blancs et noirs."

La proposition de Katayama s'appuie sur les lasers optiques à trous noirs précédemment proposés en introduisant le métamatériau qui permet une vitesse supraluminique et en exploitant l'effet Josephson pour amplifier le rayonnement de Hawking. Le circuit quantique résultant induit un soliton, un localisé, forme d'onde auto-renforcée qui maintient la vitesse et la forme jusqu'à ce que des facteurs externes effondrent le système.

"Contrairement aux lasers à trous noirs proposés précédemment, notre version a une cavité trou noir/trou blanc formée dans un seul soliton, où le rayonnement de Hawking est émis à l'extérieur du soliton afin que nous puissions l'évaluer, " a déclaré Katayama.

Le rayonnement de Hawking est produit sous forme de paires de particules enchevêtrées, avec un à l'intérieur et un à l'extérieur de l'horizon. Selon Katayama, la particule intriquée observable porte l'ombre de sa particule partenaire. En tant que tel, la corrélation quantique entre les deux particules peut être déterminée mathématiquement sans l'observation simultanée des deux particules.

"La détection de cet enchevêtrement est indispensable pour la confirmation du rayonnement de Hawking, " a déclaré Katayama.

Cependant, Katayama a mis en garde, le rayonnement de Hawking du laboratoire diffère du vrai rayonnement de Hawking des trous noirs en raison de la dispersion normale de la lumière dans le système proposé. Les composants de la lumière se divisent dans une direction, comme dans un arc-en-ciel. Si les composants peuvent être contrôlés pour que certains puissent s'inverser et rebondir, le rayonnement de Hawking obtenu en laboratoire refléterait la même fréquence positive que le vrai rayonnement de Hawking du trou noir. Elle étudie maintenant comment intégrer la dispersion anormale pour obtenir un résultat plus comparable.

"À l'avenir, nous aimerions développer ce système de communication quantique entre des espaces-temps distincts utilisant le rayonnement de Hawking, " Katayama a dit, notant l'évolutivité et la contrôlabilité du système comme des avantages dans le développement des technologies quantiques.