Квантовые аспекты излучения Хокинга в оптической аналоговой паре белая-черная дыра
Физики Университета Луизианы использовали методы квантовой теории информации, чтобы раскрыть механизм усиления или «стимулирования» создания запутанности в эффекте Хокинга контролируемым образом. Кроме того, ученые предлагают протокол для проверки этой идеи в лаборатории с использованием искусственно созданных горизонтов событий. Эти результаты были недавно опубликованы в Physical Review Letters, где исследователи представляют свои идеи и применяют их к оптическим системам, содержащим аналог пары белая-черная дыра.
Черные дыры — одни из самых загадочных объектов в нашей Вселенной, в основном из-за того, что их внутренняя работа скрыта за полностью затемняющей завесой — горизонтом событий черной дыры.
В 1974 году Стивен Хокинг добавил больше мистики к характеру черных дыр, показав, что с учетом квантовых эффектов черная дыра не совсем черная, а вместо этого испускает излучение, как если бы это было горячее тело, постепенно теряющее массу в так называемом «процессе испарения Хокинга».
Далее расчеты Хокинга показали, что испускаемое излучение квантово-механически запутано с недрами самой черной дыры.
Эта запутанность является квантовой подписью эффекта Хокинга. Этот поразительный результат трудно, если вообще возможно, проверить на астрофизических черных дырах, поскольку слабое излучение Хокинга перекрывается другими источниками излучения в космосе.
С другой стороны, в 1980-х годах в основополагающей статье Уильяма Унру было установлено, что спонтанное образование запутанных частиц Хокинга происходит в любой системе, которая может поддерживать эффективный горизонт событий. Такие системы обычно подпадают под определение «аналоговых гравитационных систем» и открыли окно для проверки идей Хокинга в лаборатории.
Серьезные экспериментальные исследования аналоговых гравитационных систем, состоящих из конденсата Бозе-Эйнштейна, нелинейных оптических волокон или даже проточной воды, ведутся уже более десяти лет.
Стимулированное и спонтанно генерируемое излучение Хокинга недавно наблюдалось на нескольких платформах, но измерение запутанности оказалось невозможным из-за его слабого и хрупкого характера.
«Мы показываем, что, освещая горизонт или горизонты соответствующим образом выбранными квантовыми состояниями, можно настраиваемым образом усилить запутанность в процессе Хокинга», — говорят ученые. «В качестве примера мы применим эти идеи к конкретному случаю пары аналоговых бело-черных дыр, имеющих общую внутреннюю часть и созданных в нелинейном оптическом материале».
«Излучение Хокинга — одно из богатейших физических явлений, связывающих, казалось бы, несвязанные области физики, от квантовой теории до термодинамики и теории относительности, — говорят исследователи.
«Аналоговые черные дыры появились, чтобы добавить дополнительный оттенок эффекту, предоставив нам, в то же время, захватывающую возможность протестировать его в лаборатории. Наш подробный численный анализ позволяет нам исследовать новые особенности процесса Хокинга, помогая нам понять лучше сходства и различия между астрофизическими и аналоговыми черными дырами».