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Nature：“量子龙卷风”首次模拟黑洞

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发布时间：2024-03-21

 

科学家们在超流体氦气中首次创造出了一个巨大的“量子漩涡”（quantum vortex），用以模拟黑洞。这一成就不仅使他们能够更加细致地观察模拟黑洞的行为，还能探究其与周围环境的交互作用。

 

诺丁汉大学的研究团队与伦敦国王学院和纽卡斯尔大学合作，开发了一个创新的实验平台——“量子龙卷风”（quantum tornado）。在将超流体氦冷却至极低温度后，他们在其中创造出了一个巨大漩涡。通过监测超流体表面的微小动态，研究团队展示了这些量子龙卷风如何模拟旋转黑洞周围的引力条件。

 

这项研究成果发表在《自然》杂志上。

 

 
 
超流体氦漩涡的这项突破成为量子物理学领域的重要一环，这个领域是日益扩大且快速发展的以量子技术为核心的产业链的一部分。涉及的行业包括量子计算、量子通信、量子成像和量子传感等。量子技术凭借其前所未有的计算能力、安全的通信网络以及高灵敏度的测量设备，预计将在医疗、金融等多个领域引领革命。
 
量子技术行业的市场前景非常广泛。根据多个市场分析机构的预测，未来十年内，全球量子计算市场的规模有望达到数十亿美元，其复合年增长率（CAGR）预计将超过20%。公共和私营部门之间日益增加的合作伙伴关系以及为促进研究而提供的激励措施预计将极大推动市场发展。
 
尽管如此，量子产业面临不少挑战。高昂的研发成本、对高技能专业人才的需求，以及创建稳定量子系统的技术障碍，这些都是该行业发展的潜在困难。此外，将量子技术与现有基础设施相结合同样是一大挑战。
 
 
黑洞环境的量子模拟领域已成为一个迅猛发展的产业。其中一个引人注目的观点是，每个落入黑洞的粒子都可能通过量子纠缠与留在黑洞外的粒子发生联系，即使二者相隔遥远，它们也能共享一个量子态。
 
量子计算机之所以可能比经典计算机更强大，其中一个关键因素就是纠缠。在过去十年里，黑洞与信息理论之间的联系变得更加密切。普雷斯基尔和其他研究者探索了全息投影中发生的事件与量子计算机开发中用于纠错的算法类型之间的相似之处。纠错是一种存储冗余信息的方法，它使计算机（无论是经典还是量子）能够恢复损坏的信息比特。一些研究人员认为量子计算理论可能是解决霍金悖论的关键。他们假设在创造黑洞时，宇宙可能同时存储了多个版本的信息：一些在事件视界内，一些在事件视界外，这样即使黑洞毁灭，也不会抹去任何历史。
 
然而，也有研究人员认为，要完全解决信息悖论，可能需要先解决引力与量子物理学的统一问题。霍金曾一直致力于研究这个问题，直至去世，但至今未有明确结果。
 
目前为止，天文学家尚未观测到任何黑洞爆炸的证据，但观测工作仍在继续。超流体实验中维持所需低温的准确性以及将实验扩展到更复杂系统的挑战带来了额外的复杂性——研究人员需要克服这些问题。
 
 
“水黑洞”，基本上就是一个大浴缸
 
用声波制造黑洞
 
至今，先前的实验已采用水和声波来模拟黑洞，但使用超流体氦使得模拟更加接近现实。这是因为超流体氦具有无摩擦特性，这更贴近模拟时空和黑洞的现实条件。
 
诺丁汉大学数学科学学院的帕特里克·斯万卡拉（Patrik Svancara）博士，这篇论文的第一作者，解释称：“使用超流体氦让我们能够更精细、更准确地研究微小表面波动。这相较于我们之前在水中进行的实验有了显著的提升。由于超流体氦的极低粘度，我们可以详细观察这些波动与量子龙卷风的相互作用，并将观察结果与理论预测进行对比。”
 
用于黑洞研究的实验装置
 
该研究团队构建了一个特制的低温系统，该系统能在低至-271℃的温度下容纳数升超流体氦。在这种温度下，液态氦表现出不同寻常的量子特性，这些特性通常在其他量子流体中阻碍巨型旋涡的形成，如超冷原子气体或光量子流体，但在该系统中，它们使得超流体氦的界面成为稳定力量。
 
斯万卡拉博士补充道：“超流体氦中包含的量子漩涡是一种微小的结构，它们通常彼此分离。在我们的实验中，我们成功地将数万个量子漩涡限制在一个类似小型龙卷风的紧凑区域内，实现了量子流体领域中前所未有的漩涡强度。”
 
研究人员发现，这些漩涡与黑洞对周围时空引力影响之间有着有趣的相似性。这一发现为在复杂的弯曲时空中模拟有限温度量子场论提供了新的途径。
 
超流体界面重构与波分析
 
同向旋转波的束缚态（Bound State）
 
反向旋转波中的束缚态和ringdown模式
 
诺丁汉大学黑洞实验室的负责人，西尔克·魏因富特纳（Silke Weinfurtner）教授，强调了这项工作的重要性：“早在2017年，当我们首次在最初的模拟实验中观测到黑洞物理的清晰特征时，就已是一个理解难以研究的奇异现象的突破性时刻。如今，通过更为复杂的实验，我们把这项研究提升到了新的层次，最终可能使我们能够预测量子场在天体物理黑洞周围弯曲时空中的行为。”
 
总的来说，这项研究不仅在量子物理学领域引起了涟漪效应，还可能成为众多领域技术革新的催化剂。对弯曲时空环境中量子场的持续探索为这些革新提供了宝贵的洞见。
 
参考链接：
[1]https://interestingengineering.com/innovation/quantum-tornado-sheds-light-on-black-hole
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1038009
[3]https://interestingengineering.com/innovation/quantum-tornado-sheds-light-on-black-hole
[4]https://www.independent.co.uk/tech/scientists-create-giant-quantum-vortex-b2515956.html
[5]https://ytech.news/en/creating-black-holes-on-earth-the-quantum-vortex-experiment/
[6]https://www.sciencefocus.com/news/black-hole-quantum-tornado
[7]https://www.nature.com/articles/d41586-024-00768-4
 
 

 

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