Fysikens grundkrafter styr materien som består av universum, men exakt hur dessa krafter fungerar tillsammans är fortfarande inte helt förstått. Förekomsten av Hawking -strålning - partikelutsläpp från nära svarta hål - indikerar att allmän relativitet och kvantmekanik måste samverka. Men att direkt observera Hawking -strålning från ett svart hål är nästan omöjligt på grund av universums bakgrundsbrus, så hur kan forskare studera det för att bättre förstå hur krafterna interagerar och integreras i en "Theory of Everything?"

Enligt Haruna Katayama, en doktorand vid Hiroshima University's Graduate School of Advanced Science and Engineering, eftersom forskare inte kan observera Hawking -strålning, Hawking -strålning måste bringas till forskarna. Hon har föreslagit en kvantkrets som fungerar som ett svart hållaser, tillhandahåller en labbänk svart hålsekvivalent med fördelar jämfört med tidigare föreslagna versioner. Förslaget publicerades den 27 september Vetenskapliga rapporter .

"I den här studien, vi utarbetade en kvantkretslasarteori med ett analogt svart hål och ett vitt hål som en resonator, "Sa Katayama.

Ett vitt hål är en teoretisk partner till ett svart hål som avger ljus och materia i lika motsats till ljus och materia som ett svart hål förbrukar. I den föreslagna elektriska kretsen, ett metamaterial konstruerat för att möjliggöra snabbare än ljusrörelse sträcker sig över utrymmet mellan horisonter, nära vilken Hawking -strålning avges.

"Egenskapen för superluminal hastighet är omöjlig i ett normalt medium etablerat i en vanlig krets, "Sa Katayama." Metamaterialelementet gör det möjligt för Hawking -strålning att resa fram och tillbaka mellan horisonter, och Josephson -effekten - som beskriver ett kontinuerligt strömflöde som sprider sig utan spänning - spelar en viktig roll för att förstärka Hawking -strålningen genom lägesomvandlingen vid horisonten, efterlikna beteendet mellan de vita och svarta hålen. "

Katayamas förslag bygger på tidigare föreslagna optiska svarta hållasrar genom att införa metamaterialet som möjliggör superluminal hastighet och utnyttja Josephson -effekten för att förstärka Hawking -strålningen. Den resulterande kvantkretsen inducerar en soliton, en lokaliserad, självförstärkande vågform som bibehåller hastighet och form tills yttre faktorer kollapsar systemet.

"Till skillnad från tidigare föreslagna svarta hållasrar, vår version har ett svart hål/vitt hål i en enda soliton, där Hawking -strålning avges utanför solitonen så att vi kan utvärdera den, "Sa Katayama.

Hawking -strålning produceras som intrasslade partikelpar, med en inuti och en utanför horisonten. Enligt Katayama, den observerbara intrasslade partikeln bär skuggan av sin partnerpartikel. Som sådan, kvantkorrelationen mellan de två partiklarna kan bestämmas matematiskt utan samtidig observation av båda partiklarna.

"Upptäckten av denna trassel är oumbärlig för bekräftelse av Hawking -strålning, "Sa Katayama.

Dock, Katayama varnade, labbet Hawking -strålning skiljer sig från sann svart hål Hawking -strålning på grund av normal spridning av ljus i det föreslagna systemet. Ljusets komponenter delas i en riktning, som i en regnbåge. Om komponenterna kan styras så att vissa kan backa och studsa tillbaka, den resulterande laboratorietillverkade Hawking-strålningen skulle spegla samma positiva frekvens som den verkliga svarta håls Hawking-strålningen. Hon undersöker nu hur man kan integrera anomalisk dispersion för att uppnå ett mer jämförbart resultat.

"I framtiden, vi skulle vilja utveckla detta system för kvantkommunikation mellan olika rumstider med hjälp av Hawking -strålning, "Sa Katayama, noterar systemets skalbarhet och kontrollerbarhet som fördelar vid utveckling av kvantteknik.