Quantenkommunikation: „Schwarzes-Loch-Laser“ soll Hawking-Strahlung messbar machen
Die vom berühmten Physiker Stephen Hawking in der Theorie formulierte und nach ihm benannte Hawking-Strahlung ist eine schwer fassbare Wärmestrahlung, von der man annimmt, dass sie vom Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ausgeht. Sie tatsächlich zu finden, erweist sich ein ums andere Mal als schwierig.
Der jüngste Vorschlag sieht vor, eine besondere Art von Quantenschaltkreis zu schaffen, der als „Laser für Schwarze Löcher“ fungiert. Die Idee dahinter besteht darin, die Hawking-Strahlung messbar zu machen, sodass sie studiert werden kann, ohne dafür ein echtes Schwarzes Loch betrachten zu müssen.
So könnte die Hawking-Strahlung messbar gemacht werden
Dabei ist das Grundprinzip relativ einfach: Schwarze Löcher sind Objekte, die die Raumzeit so stark verzerren, dass nicht einmal eine Lichtwelle entkommen kann. Die Idee ist nun, die Raumzeit gegen ein Material wie etwa Wasser auszutauschen und dafür zu sorgen, dass sie so schnell fließt, dass die durchlaufenden Wellen zu langsam sind, um zu entkommen. Das Ziel ist es also, eine Art künstliches Schwarzes Loch zu bauen.
Der neueste Vorschlag in dieser Richtung sieht vor, die Raumzeit durch ein Material mit einer in der Natur nicht vorkommenden Struktur zu verwenden. Das soll so konstruiert sein, dass sich die Teilchen darin schneller bewegen können als das Licht, das es durchläuft.
Soliton-Laser: Illustration des Black-Hole-Lasers im Schaltkreis. (Grafik: Katayama, Scientific Reports, 2021)
„Das Metamaterial-Element ermöglicht es der Hawking-Strahlung, zwischen den Horizonten hin und her zu reisen“, sagt der Physiker Haruna Katayama von der Hiroshima-Universität in Japan. Damit soll die Hawking-Strahlung so weit verstärkt werden, dass sie gemessen werden kann. Zusätzlich will Katayama den sogenannten Josephson-Effekt – ein Phänomen, bei dem ein kontinuierlicher Stromfluss erzeugt wird, für den keine Spannung erforderlich ist – einsetzen.
Durch den Einsatz des Metamaterials und mithilfe des Josephson-Effekts soll der Vorschlag über frühere Versuche, Laser für Schwarze Löcher zu entwickeln, hinausgehen. Dabei sollte gesagt werden, dass bislang keiner der vorgeschlagenen Laser je wirklich konstruiert wurde. Wir befinden uns hier vollkommen auf dem Gebiet theoretischer Forschung.
So könnten Phänomene an einem Schwarzen Loch beobachtet werden – ohne Schwarzes Loch
Die in den Scientific Reports veröffentlichten Forschungsergebnisse des Teams aus Hiroshima legen nahe, dass ein solcher Quantenschaltkreis ein sogenanntes Soliton erzeugen könnte. Dabei handelt es sich um eine sich selbst verstärkende Wellenform, die ihre Geschwindigkeit und Form beibehält, bis das System durch äußere Faktoren zusammenbricht.
„Im Gegensatz zu früher vorgeschlagenen Lasern für Schwarze Löcher hat unsere Version einen Hohlraum für Schwarze Löcher/Weiße Löcher, der innerhalb eines einzelnen Solitons gebildet wird, wobei die Hawking-Strahlung außerhalb des Solitons emittiert wird, sodass wir sie auswerten können“, erklärt Katayama.
Letztlich würde es das System ermöglichen, eine Quantenkorrelation zwischen zwei Teilchen – einem innerhalb und einem außerhalb des Ereignishorizonts – mathematisch zu messen, ohne sie beide gleichzeitig beobachten zu müssen. Das entspräche der Theorie der Entstehung der Hawking-Strahlung als verschränkte Teilchenpaare. Forschende sehen in der Entdeckung der Hawking-Strahlung die Verbindung zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie.
„In Zukunft möchten wir dieses System für die Quantenkommunikation zwischen verschiedenen Raumzeiten unter Verwendung von Hawking-Strahlung entwickeln“, sagt Katayama. Der Weg dahin ist allerdings noch weit.
