Telescoapele au parcurs un drum lung în ultimele secole. Dintre dispozitivele relativ modeste construite de astronomi precum Galileo Galilei și Johannes Kepler, telescoapele au evoluat pentru a deveni instrumente masive care necesită o întreagă facilitate pentru a le adăposti și un echipaj complet și o rețea de calculatoare pentru a le rula. Și în anii următori, se vor construi observatoare mult mai mari care pot face și mai mult.
Din păcate, această tendință către instrumente mai mari și mai mari are multe dezavantaje. Pentru început, observatoarele din ce în ce mai mari necesită fie oglinzi din ce în ce mai mari, fie multe telescoape care lucrează împreună - ambele fiind perspective costisitoare. Din fericire, o echipă din MIT și-a propus combinarea interferometriei cu tele-teleportarea cuantică, ceea ce ar putea crește semnificativ rezoluția tablelor fără a se baza pe oglinzi mai mari.
Mai bine spus, interferometria este un proces în care lumina este obținută de mai multe telescoape mai mici și apoi combinată pentru a reconstrui imaginile a ceea ce au observat. Acest proces este utilizat de facilități precum Interferometrul de telescop foarte mare (VLTI) din Chile și Centrul pentru astronomie cu rezoluție înaltă unghiulară (CHARA) din California.
Primul se bazează pe patru oglinzi principale de 8,2 m (27 ft) și patru telescoape auxiliare mobile de 1,8 m (5,9 ft) - ceea ce îi conferă o rezoluție echivalentă cu o oglindă de 140 m (460 ft) - în timp ce cea din urmă se bazează pe șase metri de un metru telescop, care îi conferă o rezoluție echivalentă cu o oglindă de 330 m (1083 ft). Pe scurt, interferometria permite tablourilor telescopice să producă imagini cu o rezoluție mai mare decât ar fi posibil altfel.
Unul dintre dezavantaje este faptul că fotonii se pierd inevitabil în timpul procesului de transmisie. Drept urmare, tablouri precum VLTI și CHARA pot fi folosite doar pentru a vizualiza stele strălucitoare, iar construirea de tablouri mai mari pentru a compensa această problemă ridică din nou problema costurilor. După cum Johannes Borregaard - coleg postdoctoral la Centrul pentru Matematică al Teoriei Cuantice (QMATH) de la Universitatea din Copenhaga și co-autor pe hârtie - a declarat pentru revista Space Space prin e-mail:
„O provocare a imaginii astronomice este de a obține o rezoluție bună. Rezoluția reprezintă o măsură a cât de mici sunt caracteristicile pe care le puteți imagina și în cele din urmă este setată prin raportul dintre lungimea de undă a luminii colectate și dimensiunea aparatului dvs. (limita Rayleigh). Matricele telescopului funcționează ca un singur aparat gigant și cu cât vei face matricea, cu atât vei obține o rezoluție mai bună. ”
Dar, desigur, acest lucru are un cost foarte mare. De exemplu, telescopul extrem de mare, care este în prezent construit în deșertul Atacama din Chile, va fi cel mai mare telescop optic și aproape infraroșu din lume. Când a fost propusă pentru prima dată în 2012, ESO a indicat că proiectul ar costa aproximativ 1 miliard de euro (1,12 miliarde de dolari) pe baza prețurilor din 2012. Ajustat pentru inflație, care se ridică la 1,23 miliarde de dolari în 2018 și aproximativ 1,47 miliarde de dolari (presupunând o rată a inflației de 3%) până în 2024 când construcția este programată să fie finalizată.
„Mai mult, sursele astronomice nu sunt adesea foarte luminoase în regimul optic”, a adăugat Borregaard. „Deși există o serie de tehnici clasice de stabilizare pentru a face față celor din urmă, aceasta din urmă reprezintă o problemă fundamentală pentru modul în care sistemele de telescop sunt în mod normal operate. Tehnica standard de înregistrare locală a luminii la fiecare telescop determină un zgomot prea mare pentru a funcționa pentru surse slabe de lumină. Drept urmare, toate tablourile optice ale telescopurilor actuale funcționează prin combinarea luminii de la diferite telescoape direct la o singură stație de măsurare. Prețul de plătit este atenuarea luminii în transmiterea către stația de măsurare. Această pierdere este o limitare severă pentru construirea unor tablouri de telescop foarte mari în regimul optic (matricile optice actuale au dimensiuni max. ~ 300 m) și vor limita în final rezoluția odată ce vor fi instalate tehnici de stabilizare eficiente. "
În acest sens, echipa Harvard - condusă de Emil Khabiboulline, student absolvent la Departamentul de Fizică din Harvard - sugerează să te bazezi pe teleportarea cuantică. În fizica cuantică, teleportarea descrie procesul prin care proprietățile particulelor sunt transportate dintr-o locație în alta prin îmbinarea cuantică. Acest lucru, după cum explică Borregard, ar permite crearea de imagini fără pierderile cu interferometrele normale:
„O observație-cheie este că înțelegerea, o proprietate a mecanicii cuantice, ne permite să trimitem o stare cuantă dintr-o locație în alta fără a o transmite fizic, într-un proces numit teleportare cuantică. Aici, lumina de la telescoape poate fi „teleportată” către stația de măsurare, eludând astfel orice pierdere de transmisie. Această tehnică ar permite, în principiu, să se rezolve matricile de dimensiuni arbitrare care presupun alte provocări, cum ar fi stabilizarea. ”
Atunci când este folosit de dragul telescoapelor asistate cuantice, ideea ar fi crearea unui flux constant de perechi încurcate. În timp ce una dintre particulele împerecheate ar sta la telescop, cealaltă s-ar deplasa la interferometrul central. Când un foton ajunge de la o stea îndepărtată, acesta va interacționa cu una din această pereche și va fi imediat transportat la interferometru pentru a crea o imagine.
Folosind această metodă, imaginile pot fi create cu pierderile cu interferometre normale. Ideea a fost sugerată pentru prima dată în 2011 de Gottesman, Jennewein și Croke de la Universitatea din Waterloo. La acea vreme, ei și alți cercetători au înțeles că conceptul ar trebui să genereze o pereche încurcată pentru fiecare foton de intrare, care este de ordinul a trilioane de perechi pe secundă.
Acest lucru pur și simplu nu a fost posibil folosind tehnologia actuală; dar, datorită evoluțiilor recente în calculul și stocarea cuantică, acum este posibil. După cum a indicat Borregaard:
„[W]descrieți cum lumina poate fi comprimată în mici amintiri cuantice care păstrează informațiile cuantice. Astfel de amintiri cuantice ar putea consta în atomi care interacționează cu lumina. Tehnicile de transfer a stării cuantice a unui impuls de lumină într-un atom au fost deja demonstrate de mai multe ori în experimente. Ca rezultat al compresiei în memorie, utilizăm în mod semnificativ mai puține perechi de legături în comparație cu scheme fără memorie, cum ar fi cea de Gottesman și colab. De exemplu, pentru o stea cu magnitudinea 10 și lățimea de bandă de măsurare de 10 GHz, schema noastră necesită ~ 200 kHz de viteză de înțelegere folosind o memorie de 20 de qubit în loc de 10 GHz înainte. Aceste specificații sunt fezabile cu tehnologia actuală, iar stelele slabe ar duce la economii și mai mari, cu doar amintiri puțin mai mari. "
Această metodă ar putea duce la anumite oportunități complet noi atunci când vine vorba de imagistica astronomică. Pentru una, aceasta va crește dramatic rezoluția de imagini și va face posibil ca matricile să obțină rezoluții echivalente cu cele ale unei oglinzi de 30 km. În plus, ar putea permite astronomilor să detecteze și să studieze exoplanetele folosind tehnica imagistică directă cu rezoluții până la nivelul micro-arsecundei.
"Recordul actual este în jurul a mili-arcseconds", a spus Borregaard. „O astfel de creștere a rezoluției va permite astronomilor să acceseze o serie de noi frontiere astronomice, începând de la determinarea caracteristicilor sistemelor planetare, până la studierea cefalelor și interacționarea binarelor ... De interes pentru proiectanții de telescopuri astronomice, schema noastră ar fi potrivită pentru implementarea în spațiu, unde stabilizarea este mai puțin o problemă. Într-adevăr, un telescop optic bazat pe spațiu pe scara de 10 ^ 4 kilometri ar fi foarte puternic. "
În deceniile următoare, multe observatorii de spații și generații viitoare sunt pregătiți să fie construiți sau dislocați. Deja, se preconizează că aceste instrumente vor oferi o rezoluție și o capacitate sporită. Odată cu adăugarea de tehnologie cu asistență cuantică, aceste observatorii ar putea fi chiar capabile să rezolve misterele materiei întunecate și ale energiei întunecate și să studieze planetele extra-solare în detalii uimitoare.
Studiul echipei, „Arhierele telescopului cu asistență cuantică”, a apărut recent online. Pe lângă Khabiboulline și Borregaard, studiul a fost coautor de Kristiaan De Greve (un coleg postdoctoral de la Harvard) și Mikhail Lukin - un profesor de fizică din Harvard și șeful grupului Lukin de la Laboratorul de optică cuantică din Harvard.
