Ereignishorizonte sind abstimmbare Fabriken der Quantenverschränkung

Physiker der Louisiana State University haben Techniken der Quanteninformationstheorie genutzt, um einen Mechanismus zur Verstärkung oder „Stimulierung“ der Produktion von Verschränkung im Hawking-Effekt auf kontrollierte Weise aufzudecken. Darüber hinaus schlagen diese Wissenschaftler ein Protokoll zum Testen dieser Idee im Labor unter Verwendung künstlich erzeugter Ereignishorizonte vor. Diese Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung„Quantenaspekte stimulierter Hawking-Strahlung in einem analogen Weiß-Schwarz-Loch-Paar“, wo Ivan Agullo, Anthony J. Brady und Dimitrios Kranas diese Ideen vorstellen und sie auf optische Systeme anwenden, die das Analogon eines Weiß-Schwarz-Loch-Paares enthalten.

Schwarze Löcher gehören zu den rätselhaftesten Objekten in unserem Universum, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass ihr Innenleben hinter einem völlig undurchsichtigen Schleier verborgen ist – dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs.

1974 fügte Stephen Hawking dem Charakter von Schwarzen Löchern mehr Mystik hinzu, indem er zeigte, dass ein Schwarzes Loch, sobald Quanteneffekte berücksichtigt werden, überhaupt nicht wirklich schwarz ist, sondern stattdessen allmählich Strahlung aussendet, als wäre es ein heißer Körper beim sogenannten „Hawking-Verdampfungsprozess“ an Masse verlieren. Darüber hinaus zeigten Hawkings Berechnungen, dass die emittierte Strahlung quantenmechanisch mit den Eingeweiden des Schwarzen Lochs selbst verschränkt ist. Diese Verschränkung ist die Quantensignatur des Hawking-Effekts. Dieses erstaunliche Ergebnis ist an astrophysikalischen Schwarzen Löchern schwer, wenn nicht sogar unmöglich zu testen, da die schwache Hawking-Strahlung von anderen Strahlungsquellen im Kosmos überstrahlt wird.

Andererseits stellte in den 1980er Jahren ein bahnbrechender Artikel von William Unruh fest, dass die spontane Produktion verschränkter Hawking-Teilchen in jedem System auftritt, das einen effektiven Ereignishorizont unterstützen kann. Solche Systeme fallen im Allgemeinen unter den Oberbegriff „analoge Gravitationssysteme“ und öffneten ein Fenster, um Hawkings Ideen im Labor zu testen.

Ernsthafte experimentelle Untersuchungen analoger Gravitationssysteme – bestehend aus Bose-Einstein-Kondensaten, nichtlinearen optischen Fasern oder sogar fließendem Wasser – sind seit mehr als einem Jahrzehnt im Gange. Stimulierte und spontan erzeugte Hawking-Strahlung wurde kürzlich auf mehreren Plattformen beobachtet, aber die Messung der Verschränkung hat sich aufgrund ihres schwachen und zerbrechlichen Charakters als schwer fassbar erwiesen.

„Wir zeigen, dass man durch die Beleuchtung des Horizonts oder der Horizonte mit geeignet ausgewählten Quantenzuständen die Erzeugung von Verschränkung in Hawkings Prozess auf abstimmbare Weise verstärken kann“, sagte außerordentlicher Professor Ivan Agullo. „Als Beispiel wenden wir diese Ideen auf den konkreten Fall eines Paares analoger weiß-schwarzer Löcher an, die sich ein Inneres teilen und in einem nichtlinearen optischen Material erzeugt werden.“

„Viele der in dieser Forschung verwendeten Quanteninformationswerkzeuge stammen aus meiner Abschlussforschung bei Professor Jonathan P. Dowling“, sagte 2021 Ph.D. Alumnus Anthony Brady, Postdoktorand an der University of Arizona. „Jon war ein charismatischer Charakter, und er brachte sein Charisma und seine Unkonventionalität in seine Wissenschaft sowie seine Beratung ein. Er ermutigte mich, an exzentrischen Ideen wie analogen schwarzen Löchern zu arbeiten und zu sehen, ob ich Techniken aus verschiedenen Bereichen der Physik verschmelzen könnte – wie Quanteninformation und analoge Gravitation –, um etwas Neues oder ‚Süßes‘ zu produzieren, wie er gerne sagte.“

“Der Hawking-Prozess ist eines der reichhaltigsten physikalischen Phänomene, das scheinbar nicht verwandte Bereiche der Physik von der Quantentheorie bis zur Thermodynamik und Relativitätstheorie verbindet”, sagte Dimitrios Kranas, Doktorand der LSU. „Analoge Schwarze Löcher fügten dem Effekt eine zusätzliche Würze hinzu und boten uns gleichzeitig die aufregende Möglichkeit, ihn im Labor zu testen. Unsere detaillierte numerische Analyse ermöglicht es uns, neue Merkmale des Hawking-Prozesses zu untersuchen, was uns hilft, ihn zu verstehen besser die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen astrophysikalischen und analogen Schwarzen Löchern.”