浩瀚的星空总能引起人们的无限想象和向往，在宇宙中黑洞无疑是极具吸引力的天体之一。然而由于技术的限制，人类目前仍然不能走进宇宙深处，更无法到达黑洞附近。
在天文观测之外，基于广义相对论中弯曲时空的度规与光学介质中电磁参数之间的等价性，物理学界发展了变换光学的方法来模拟引力场弯曲时空，从而在实验上检验和演示各种弯曲时空中光子态的演化特性。
然而，迄今为止，这些模拟都局限于经典范畴或者平坦空间，而与广义相对论相关的量子模拟则很少涉及。尽管在现代物理学中如何统一广义相对论和量子力学仍然是一个巨大的挑战，但弯曲时空下的量子场理论却取得了很好的发展，并预言了一些惊人的现象，最经典的例子就是霍金辐射。
近日，上海交通大学金贤敏教授研究团队与南京大学祝世宁院士、刘辉教授、盛冲副教授合作，在《国家科学评论》(National Science Review, NSR, 最新影响因子：16.69) 发表研究论文，实现了黑洞视界附近粒子对产生过程的量子模拟。研究团队利用飞秒激光直写技术在光子芯片上加工了可以类比黑洞视界附近的等效势场的耦合波导阵列，并成功实现了人工黑洞视界附近粒子演化的模拟。
基于飞秒激光直写技术，波导势能以及波导之间的耦合具有很高的可控性。结合变换光学的概念，研究团队利用单层非均匀变化的光子波导晶格成功构造了一个一维的人工黑洞。相比于平坦空间中的线性运动演化，黑洞视界附近的单光子波包的演化运动随时间呈指数加速，其加速能力取决于黑洞附近的时空曲率。
(a) 理论模拟结果：平坦空间和弯曲空间中单光子波包具有不同的演化行为。 (b) 实验测得结果。 (c) 弯曲空间中单光子波包运动的加速能力取决于黑洞时空曲率。
研究团队进一步设计了双层的光子波导晶格并实验观察了费米子对在黑洞视界附近处的加速、产生和演化：一个具有正能量的单光子波包成功逃离黑洞而具有负能量的单光子波包却被黑洞捕获。这个结果违背了粒子总是被黑洞捕获的经典物理图象，它与霍金辐射相似，源自与引力效应相关的量子效应。由于真空涨落，粒子—反粒子对在黑洞的视界附近产生，具有负能量的粒子落入黑洞，而具有正能量的粒子则逃逸，这便会导致黑洞失去质量，从外面来看则是黑洞向外释放了一个粒子。
(a) 在光子芯片上实现黑洞视界附近粒子对产生示意图。 (b) 光子芯片中波导阵列设计结构以及其物理能带结构性质。 (c) 加工的光子芯片横截面，展示了波导阵列结果。 (d) 实验中单光子波包演化概率分布结果，白色虚椭圆标识了光子注入的位置。 (e) 不同注入位置下单光子波包概率分布。 (f) 单光子波包注入位置与概率分布中两波包间距关系。
研究团队最后展望了基于波导阵列的光子芯片，在未来的研究中可以构建更高维的弯曲时空。例如，可以用二维波导阵列来模拟三维时空，也可以用二维波导阵列加上光子偏振或频率来模拟四维时空。此外，由于传播方向在波导阵列中扮演时间的角色，因此还可以模拟动态的弯曲时空度规，如膨胀的宇宙，以及时空的涟漪-引力波等。
上海交通大学博士生王耀与南京大学盛冲副教授为论文共同第一作者，上海交通大学金贤敏教授与南京大学刘辉教授为论文共同通讯作者。研究团队感谢国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、上海市科委重大项目、上海市教委以及国家博士后项目的支持。
论文链接：
Quantum Simulation of Particle Pair Creation near the Event Horizon
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa111
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