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教授 畠中 憲之
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本研究成果のポイント
- 电気回路を用いたブラックホールレーザーの理论を构筑することに成功しました。
- このレーザーを用いれば、ホーキング辐射(注1)の存在を明らかにすることができます。
- また、このレーザーは非古典的な性质を持っていることから、次世代の革新的量子情报処理技术(量子コンピュータ(注2)や量子ニューラルネットワーク(注3))に対して新しい光源を提供します。
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の片山春菜?大学院生は、電気回路において擬似的なブラックホールを創生し、それを用いたレーザー理論を構築することに成功しました。このレーザーを用いると、未解決課題であるブラックホールからの輻射(ホーキング輻射)の存在を明らかにすることができます。また、このレーザーは通常のレーザーと異なり、ホーキング輻射の素過程に由来するスクイーズド状態(注4)と呼ばれる非古典的性質を持つレーザーとなり、新しい光源として量子情報技術などでの応用が期待されます。本研究の成果は、英国科学誌Scientific Reports(Nature Publishing)に9月27日午前10時(英国時間)に掲載されました。また、第82回応用物理学会秋季学術講演会(令和3年9月開催)の注目講演として発表いたしました。
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ブラックホールの滝登りモデル
用语解説
(注1)ホーキング辐射
ホーキング辐射は、光でさえ脱出できないブラックホールの事象の地平线付近で、量子力学的に対生成された仮想粒子(注5)が実粒子として輻射される現象です(図1参照)。 図1の点線で囲まれた二つの丸印が対生成を表し、黄色の丸が粒子を紫色の丸が反粒子を表します。
(注2)量子コンピュータ
量子力学を利用した计算机を量子コンピュータと言います。従来のコンピュータでは、回路の电圧を制御して、电圧が低い时は?0?、高い时は?1?のように、0と1を作り出し、それらを使って计算を行っています。それに対して、量子コンピュータは、量子の特徴である?状态の重ね合わせ?を利用して、?0??1?の重ね合わせ状态を作ります。これにより、同时に何通りもの计算(超并列计算)を実现し、宇宙の年齢ほどかかる计算をあっという间に计算することが可能になります。
(注3)量子ニューラルネットワーク
近年、さまざまなネットワークが复雑化?大规模化し、これらの最适化?効率化が重要な课题となっています。そこて?、生物の神経系を模倣した人工ニューラルネットワークが诞生しました。それに量子力学を取り入れものが量子ニューラルネットワークで、さらなる跃进が期待されています。
(注4)スクイーズド状态
光のふるまいは、古典的には波を特徴付ける振幅と位相によって一意に决まります。位相が揃った状态がレーザーです。量子力学によれば不确定性原理に基づく不可避なゆらぎが存在するため、位相は必ずゆらぎを持ちます。この量子のゆらぎが圧搾された状态のことをスクイーズド状态と言います。
(注5)仮想粒子
量子力学の基本原理の一つであるエネルギーと时间に関する不确定性原理によれば、エネルギーと时间は、确定しているわけではなく、それぞれ揺らいでいます。しかもそれらの间には、时间のゆらぎが小さくなれば、エネルギーのゆらぎが大きくなるという性质があります。もし短时间であれば、エネルギーのゆらぎは大きくなるので、真空にこのエネルギーが働きかけ、粒子と反粒子が対で生まれることができます。このようにして、短时间の间だけ、仮想的に生まれた粒子のことを仮想粒子と言います。
论文情报
- 掲載誌: Scientific Reports
- 論文タイトル: Quantum-circuit black hole lasers
- 著者名: Haruna Katayama
- DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-98456-0
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