Le forze fondamentali della fisica governano la materia che costituisce l'universo, ma esattamente come queste forze lavorano insieme non è ancora completamente compreso. L'esistenza della radiazione di Hawking, l'emissione di particelle dai buchi neri vicini, indica che la relatività generale e la meccanica quantistica devono cooperare. Ma osservare direttamente la radiazione di Hawking da un buco nero è quasi impossibile a causa del rumore di fondo dell'universo, quindi come possono i ricercatori studiarlo per capire meglio come le forze interagiscono e si integrano in una "Teoria del Tutto?"

Secondo Haruna Katayama, uno studente di dottorato presso la Graduate School of Advanced Science and Engineering dell'Università di Hiroshima, poiché i ricercatori non possono osservare la radiazione di Hawking, La radiazione di Hawking deve essere portata ai ricercatori. Ha proposto un circuito quantistico che funge da laser a buco nero, fornire un buco nero da laboratorio equivalente con vantaggi rispetto alle versioni proposte in precedenza. La proposta è stata pubblicata il 27 settembre Rapporti scientifici .

"In questo studio, abbiamo ideato una teoria del laser a circuito quantistico usando un buco nero analogico e un buco bianco come risonatore, " ha detto Katayama.

Un buco bianco è un partner teorico di un buco nero che emette luce e materia in egual opposizione alla luce e alla materia che un buco nero consuma. Nel circuito elettrico proposto, un metamateriale progettato per consentire un movimento più veloce della luce si estende nello spazio tra gli orizzonti, vicino al quale viene emessa la radiazione di Hawking.

"La proprietà della velocità superluminale è impossibile in un mezzo normale stabilito in un circuito ordinario, " Ha detto Katayama. "L'elemento metamateriale rende possibile alla radiazione di Hawking di viaggiare avanti e indietro tra gli orizzonti, e l'effetto Josephson, che descrive un flusso continuo di corrente che si propaga senza tensione, svolge un ruolo importante nell'amplificare la radiazione di Hawking attraverso la conversione modale agli orizzonti, imitando il comportamento tra i buchi bianchi e neri."

La proposta di Katayama si basa sui laser ottici del buco nero precedentemente proposti introducendo il metamateriale che consente la velocità superluminale e sfruttando l'effetto Josephson per amplificare la radiazione di Hawking. Il circuito quantistico risultante induce un solitone, un localizzato, forma d'onda auto-rinforzante che mantiene velocità e forma fino a quando fattori esterni non fanno crollare il sistema.

"A differenza dei laser a buco nero proposti in precedenza, la nostra versione ha una cavità buco nero/buco bianco formata all'interno di un singolo solitone, dove la radiazione di Hawking viene emessa al di fuori del solitone in modo che possiamo valutarla, " ha detto Katayama.

La radiazione di Hawking è prodotta come coppie di particelle entangled, con uno dentro e uno fuori l'orizzonte. Secondo Katayama, la particella entangled osservabile porta l'ombra della sua particella partner. Come tale, la correlazione quantistica tra le due particelle può essere determinata matematicamente senza l'osservazione simultanea di entrambe le particelle.

"Il rilevamento di questo entanglement è indispensabile per la conferma della radiazione di Hawking, " ha detto Katayama.

Però, Katayama ha avvertito, la radiazione di Hawking di laboratorio differisce dalla radiazione di Hawking del vero buco nero a causa della normale dispersione della luce nel sistema proposto. Le componenti della luce si dividono in una direzione, come in un arcobaleno. Se i componenti possono essere controllati in modo che alcuni possano invertirsi e riprendersi, la risultante radiazione di Hawking prodotta in laboratorio rifletterebbe la stessa frequenza positiva della radiazione di Hawking del vero buco nero. Ora sta studiando come integrare la dispersione anomala per ottenere un risultato più comparabile.

"Nel futuro, vorremmo sviluppare questo sistema per la comunicazione quantistica tra spazi-tempi distinti usando la radiazione di Hawking, "Katayama ha detto, rilevando la scalabilità e la controllabilità del sistema come vantaggi nello sviluppo di tecnologie quantistiche.