Teleskopy przeszły długą drogę w ciągu ostatnich kilku stuleci. Od stosunkowo skromnych urządzeń zbudowanych przez astronomów, takich jak Galileo Galilei i Johannes Kepler, teleskopy ewoluowały, by stać się masywnymi instrumentami, które wymagają umieszczenia ich w całym obiekcie oraz pełnej załogi i sieci komputerów do ich obsługi. A w nadchodzących latach zbudowane zostaną znacznie większe obserwatoria, które mogą zrobić jeszcze więcej.
Niestety ten trend w kierunku coraz większych instrumentów ma wiele wad. Po pierwsze, coraz większe obserwatoria wymagają coraz większych zwierciadeł lub wielu współpracujących ze sobą teleskopów - oba są drogimi perspektywami. Na szczęście zespół z MIT zaproponował połączenie interferometrii z teleportacją kwantową, która może znacznie zwiększyć rozdzielczość tablic bez polegania na większych zwierciadłach.
Mówiąc prościej, interferometria jest procesem, w którym światło jest uzyskiwane przez wiele mniejszych teleskopów, a następnie łączone w celu odtworzenia obrazów tego, co zaobserwowali. Z tego procesu korzystają takie obiekty, jak Very Large Telescope Interferometer (VLTI) w Chile i Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) w Kalifornii.
Pierwszy opiera się na czterech lustrach głównych o długości 8,2 m (4 stopy) i czterech ruchomych teleskopach pomocniczych 1,8 m (5,9 stopy) - co daje rozdzielczość równoważną zwierciadłu 140 m (460 stóp) - podczas gdy drugi opiera się na sześciu metrach teleskop, który daje mu rozdzielczość równoważną zwierciadłu 330 m (1083 stóp). Krótko mówiąc, interferometria pozwala matrycom teleskopowym wytwarzać obrazy o wyższej rozdzielczości niż byłoby to możliwe.
Jedną z wad jest to, że fotony są nieuchronnie tracone podczas procesu transmisji. W rezultacie tablic takich jak VLTI i CHARA można używać tylko do oglądania jasnych gwiazd, a budowanie większych tablic w celu zrekompensowania tego po raz kolejny podnosi kwestię kosztów. Jak Johannes Borregaard - doktor habilitowany w Centrum Matematyki Teorii Kwantowej Uniwersytetu Kopenhaskiego (QMATH) i współautor na papierze - powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:
„Jednym z wyzwań związanych z obrazowaniem astronomicznym jest uzyskanie dobrej rozdzielczości. Rozdzielczość jest miarą tego, jak małe są cechy, które można zobrazować, i jest ostatecznie ustalana na podstawie stosunku długości fali zbieranego światła do wielkości aparatu (limit Rayleigha). Macierze teleskopowe działają jak jeden gigantyczny aparat, a im większy układ, tym lepsza rozdzielczość. ”
Ale oczywiście wiąże się to z bardzo wysokimi kosztami. Na przykład ekstremalnie duży teleskop, który jest obecnie budowany na pustyni Atacama w Chile, będzie największym na świecie teleskopem optycznym i bliskiej podczerwieni. Po raz pierwszy zaproponowany w 2012 r. ESO wskazała, że projekt kosztowałby około 1 miliarda euro (1,12 miliarda dolarów) w oparciu o ceny z 2012 roku. Skorygowany o inflację, która osiąga 1,23 mld USD w 2018 r. I około 1,47 mld USD (przy założeniu stopy inflacji 3%) do 2024 r., Kiedy planowane jest zakończenie budowy.
„Ponadto źródła astronomiczne często nie są zbyt jasne w reżimie optycznym” - dodał Borregaard. „Podczas gdy istnieje wiele klasycznych technik stabilizacji w celu rozwiązania tego pierwszego, drugi stanowi podstawowy problem dla normalnego działania układów teleskopów. Standardowa technika lokalnego rejestrowania światła w każdym teleskopie powoduje, że hałas jest zbyt duży, aby działał w przypadku słabych źródeł światła. W rezultacie wszystkie obecne układy teleskopów optycznych działają poprzez łączenie światła z różnych teleskopów bezpośrednio na jednej stacji pomiarowej. Cena do zapłaty to tłumienie światła przesyłanego do stacji pomiarowej. Strata ta jest poważnym ograniczeniem przy konstruowaniu bardzo dużych układów teleskopów w reżimie optycznym (obecne układy optyczne mają rozmiary maks. ~ 300 m) i ostatecznie ograniczy rozdzielczość, gdy zostaną wprowadzone skuteczne techniki stabilizacji. ”
W tym celu zespół Harvarda - kierowany przez Emila Khabiboulline'a, absolwenta Wydziału Fizyki Harvarda - sugeruje poleganie na teleportacji kwantowej. W fizyce kwantowej teleportacja opisuje proces, w którym właściwości cząstek są przenoszone z jednego miejsca do drugiego przez splątanie kwantowe. To, jak wyjaśnia Borregard, pozwoliłoby na tworzenie obrazów bez strat napotykanych przez normalne interferometry:
„Jedną z kluczowych obserwacji jest to, że splątanie, właściwość mechaniki kwantowej, pozwala nam przesyłać stan kwantowy z jednego miejsca do drugiego bez fizycznego przesyłania go w procesie zwanym teleportacją kwantową. Tutaj światło z teleskopów można „teleportować” do stacji pomiarowej, tym samym omijając wszelkie straty transmisyjne. Ta technika w zasadzie pozwoliłaby na tablice o dowolnej wielkości, zakładając, że zostaną rozwiązane inne wyzwania, takie jak stabilizacja. ”
W przypadku teleskopów z asystą kwantową pomysł polegałby na stworzeniu stałego strumienia splątanych par. Podczas gdy jedna ze sparowanych cząstek przebywałaby przy teleskopie, druga podróżowałaby do centralnego interferometru. Kiedy foton przybywa z odległej gwiazdy, wejdzie w interakcję z jedną z tej pary i zostanie natychmiast teleportowany do interferometru, aby utworzyć obraz.
Za pomocą tej metody można tworzyć obrazy ze stratami napotykanymi w przypadku normalnych interferometrów. Pomysł został po raz pierwszy zasugerowany w 2011 roku przez Gottesmana, Jennewein i Croke z University of Waterloo. W tym czasie oni i inni badacze zrozumieli, że koncepcja będzie musiała wygenerować splątaną parę dla każdego przychodzącego fotonu, która jest rzędu trylionów par na sekundę.
Nie było to po prostu możliwe przy użyciu ówczesnej technologii; ale dzięki najnowszym osiągnięciom w dziedzinie obliczeń kwantowych i pamięci masowej może to być teraz możliwe. Jak wskazał Borregaard:
„[W]Naszkicuj, w jaki sposób światło można skompresować do małych pamięci kwantowych, które chronią informacje kwantowe. Takie kwantowe wspomnienia mogą składać się z atomów oddziałujących ze światłem. Techniki przenoszenia stanu kwantowego impulsu świetlnego do atomu zostały już wielokrotnie wykazane w eksperymentach. W wyniku kompresji do pamięci zużywamy znacznie mniej splątanych par w porównaniu ze schematami bez pamięci, takimi jak Gottesman i in. Na przykład, dla gwiazdy o wielkości 10 i szerokości pasma pomiarowej 10 GHz, nasz schemat wymaga ~ 200 kHz częstotliwości splątania przy użyciu 20-kubitowej pamięci zamiast 10 GHz wcześniej. Takie specyfikacje są wykonalne przy obecnej technologii, a słabsze gwiazdy przyniosłyby jeszcze większe oszczędności przy jedynie nieco większych wspomnieniach. ”
Ta metoda może stworzyć zupełnie nowe możliwości w dziedzinie obrazowania astronomicznego. Po pierwsze, dramatycznie zwiększy rozdzielczość obrazów, a być może umożliwi tablicom uzyskanie rozdzielczości, które są równoważne z lustrem o długości 30 km. Ponadto może umożliwić astronomom wykrywanie i badanie egzoplanet przy użyciu techniki bezpośredniego obrazowania z rozdzielczością do poziomu mikrosekund.
„Obecny rekord to około milisekund.” - powiedział Borregaard. „Taki wzrost rozdzielczości pozwoli astronomom uzyskać dostęp do wielu nowych granic astronomicznych, od określania charakterystyk układów planetarnych do badania cefeid i interakcji między nimi… Interesujący dla projektantów teleskopów astronomicznych, nasz plan byłby odpowiedni do zastosowania w przestrzeni kosmicznej, gdzie stabilizacja jest mniejszym problemem. Kosmiczny teleskop optyczny w skali 10 ^ 4 kilometrów byłby rzeczywiście bardzo silny. ”
W nadchodzących dziesięcioleciach powstanie wiele kosmicznych i naziemnych obserwatoriów nowej generacji. Już teraz oczekuje się, że instrumenty te będą oferować znacznie zwiększoną rozdzielczość i możliwości. Dzięki dodaniu technologii wspomaganej kwantem obserwatoria te mogą nawet być w stanie rozwiązać tajemnice ciemnej materii i ciemnej energii oraz badać planety pozasłoneczne z niesamowitymi szczegółami.
Badanie zespołu, „Quantum-Assisted Telescope Arrays”, pojawiło się niedawno w Internecie. Oprócz Khabiboulline i Borregaard, współautorami badań są Kristiaan De Greve (stypendysta Harvarda) i Michaił Lukin - profesor fizyki na Harvardzie i szef grupy Lukin w Harvard's Quantum Optics Laboratory.
