Event horizons zijn afstembare fabrieken voor kwantumverstrengeling

Natuurkundigen van de Louisiana State University hebben gebruik gemaakt van technieken uit de kwantuminformatietheorie om een ​​mechanisme te onthullen voor het op een gecontroleerde manier versterken of “stimuleren” van verstrengelingsproductie in het Hawking-effect. Bovendien stellen deze wetenschappers een protocol voor om dit idee in het laboratorium te testen met behulp van kunstmatige gebeurtenishorizons. Deze resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven“Quantum Aspects of Stimulated Hawking Radiation in a Pair of Analogized White Black Holes”, presenteren Ivan Agullo, Anthony J. Brady en Demetrius Kranas deze ideeën en passen ze toe op optische systemen die een analoog van een wit zwart gat bevatten.

Zwarte gaten behoren tot de meest raadselachtige dingen in ons universum, grotendeels vanwege het feit dat hun innerlijke werking verborgen is achter een volledig mysterieuze sluier – de waarnemingshorizon van een zwart gat.

In 1974 voegde Stephen Hawking meer mysterie toe aan het karakter van zwarte gaten door aan te tonen dat wanneer kwantumeffecten worden overwogen, een zwart gat helemaal niet zwart is, maar in plaats daarvan geleidelijk straling uitzendt, alsof het een heet object is. Massaverlies in het zogenaamde “Hawking-verdampingsproces”. Bovendien toonden de berekeningen van Hawking aan dat de uitgezonden straling mechanisch verstrengeld is met de ingewanden van het zwarte gat zelf. Deze verstrengeling is de kwantumsignatuur van het Hawking-effect. Dit verbazingwekkende resultaat is moeilijk, zo niet onmogelijk, te testen op astrofysische zwarte gaten, omdat de zwakke Hawking-straling wordt overschaduwd door andere stralingsbronnen in het heelal.

Aan de andere kant, in de jaren tachtig, Hoofdartikel door William Onrow Hij toonde aan dat spontane productie van verstrengelde Hawking-deeltjes plaatsvindt in elk systeem dat een effectieve gebeurtenishorizon kan ondersteunen. Dergelijke systemen vallen over het algemeen onder de paraplu van “analoge zwaartekrachtsystemen” en hebben een venster geopend voor het testen van de ideeën van Hawking in het laboratorium.

Serieuze experimentele onderzoeken naar analoge zwaartekrachtsystemen – gemaakt van Bose-Einstein-condensatoren, niet-lineaire optische vezels of zelfs stromend water – zijn al meer dan een decennium aan de gang. Gestimuleerde en spontaan gegenereerde Hawking-straling is onlangs waargenomen op verschillende platforms, maar verstrengelingsmeting is ongrijpbaar gebleken vanwege het zwakke en broze karakter.

“We laten zien dat door de horizon of horizonten te verlichten met de juiste geselecteerde kwantumtoestanden, men de verstrengelingsproductie in het Hawking-proces op een afstembare manier kan versterken”, zei universitair hoofddocent Ivan Agulu. “Als voorbeeld passen we deze ideeën toe op het tactiele geval van een paar analoge witte zwarte gaten die een interieur delen en worden geproduceerd in een niet-lineair optisch materiaal.”

“Veel van de kwantuminformatiehulpmiddelen die in dit onderzoek zijn gebruikt, waren afkomstig van mijn postdoctorale onderzoek met professor Jonathan P. Dowling”, zei in 2021 promovendus Anthony Brady, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Arizona. “John was charismatisch en hij introduceerde zijn charisma en charisma in zijn wetenschap, evenals zijn advies. Hij moedigde me aan om te werken aan grillige ideeën, zoals analoge zwarte gaten, en te kijken of ik technieken uit verschillende gebieden van de natuurkunde kon incorporeren – zoals kwantuminformatie en analoge zwaartekracht – om iets nieuws te produceren, of ‘schattig’, zoals hij het leuk vond. Zeg maar.’

“Het Hawking-proces is een van de rijkste fysieke fenomenen die schijnbaar niet-verwante natuurkundegebieden met elkaar verbinden, van de kwantumtheorie tot de thermodynamica en relativiteit”, zegt Demetrius Kranas, een afgestudeerde student aan de LSU. “Analoge zwarte gaten zijn gekomen om een ​​extra smaak aan het effect toe te voegen en bieden ons tegelijkertijd een opwindende mogelijkheid om het in het laboratorium te testen. Onze gedetailleerde numerieke analyse stelt ons in staat om nieuwe functies van het Hawking-proces te verkennen, wat ons helpt om de overeenkomsten en verschillen tussen astrofysische en analoge zwarte gaten beter te begrijpen.