تجربة الشق المزدوج الكمي توفر الأمل لتلسكوب بحجم الأرض

تخيل أن تكون قادرًا على رؤية سطح كوكب شبيه بالأرض يدور حول نجم آخر ، أو أن تشاهد نجمًا يتم تقطيعه بفعل ثقب أسود.

مثل هذه الملاحظات الدقيقة مستحيلة حاليا. لكن العلماء يقترحون طرقًا لربط ميكانيكي الكم بالتلسكوبات الضوئية حول العالم من أجل رؤية الكون بمستوى تفاصيل محير للعقل.

الحيلة هي نقل الفوتونات الهشة بين التلسكوبات ، بحيث يمكن دمج الإشارات ، أو "التداخل" ، لإنشاء صور أكثر وضوحًا. الباحثون لديهم معروف منذ سنوات أن هذا النوع من قياس التداخل سيكون ممكنًا مع شبكة مستقبلية من أجهزة النقل عن بعد تسمى a الإنترنت الكم. ولكن في حين أن الإنترنت الكمي هو حلم بعيد المنال ، فإن اقتراحًا جديدًا يضع مخططًا لإجراء قياس التداخل البصري مع أجهزة التخزين الكمومية التي هي قيد التطوير الآن.

سيمثل هذا النهج المرحلة التالية من هوس علم الفلك بالحجم. تخلق المرايا العريضة صورًا أكثر وضوحًا ، لذلك يصمم علماء الفلك باستمرار تلسكوبات أكبر من أي وقت مضى ويرون المزيد من تفاصيل الكون تتكشف. اليوم يقومون ببناء تلسكوب بصري بمرآة بعرض حوالي 40 مترًا ، 16 ضعف عرض (وبالتالي دقة) تلسكوب هابل الفضائي. لكن هناك حدًا لمقدار المرايا التي يمكن أن تنمو.

لن نبني تلسكوبًا بفتحة واحدة بطول 100 متر. هذا جنون!" قال ليزا براتو، عالم الفلك في مرصد لويل في ولاية أريزونا. "إذن ما هو المستقبل؟ قياس التداخل في المستقبل ".

تلسكوب بحجم الأرض

يقوم علماء الفلك الراديوي بقياس التداخل منذ عقود. ال أول صورة لثقب أسود، الذي تم إصداره في عام 2019 ، تم إنشاؤه من خلال مزامنة الإشارات التي وصلت إلى ثمانية تلسكوبات راديوية منتشرة حول العالم. بشكل جماعي ، تتمتع التلسكوبات بقوة التحليل لمرآة واحدة بعرض المسافة بينهما - وهو تلسكوب بحجم الأرض بشكل فعال.

لتكوين الصورة ، تم ختم موجات الراديو التي تصل إلى كل تلسكوب بدقة وتخزينها ، ثم تم تجميع البيانات معًا في وقت لاحق. هذا الإجراء سهل نسبيًا في علم الفلك الراديوي ، وذلك لأن الأجسام الباعثة للراديو تميل إلى أن تكون شديدة السطوع ، ولأن موجات الراديو كبيرة نسبيًا وبالتالي يسهل اصطفافها.

قياس التداخل البصري أصعب بكثير. تقيس الأطوال الموجية المرئية مئات النانومتر ، مما يترك مجالًا أقل بكثير للخطأ في محاذاة الموجات وفقًا لوقت وصولها إلى تلسكوبات مختلفة. علاوة على ذلك ، تبني التلسكوبات الضوئية صورًا فوتونًا على بعد فوتون من مصادر خافتة جدًا. من المستحيل حفظ هذه الإشارات الحبيبية على محركات الأقراص الثابتة العادية دون فقد المعلومات الضرورية لإجراء قياس التداخل.

تمكن علماء الفلك من خلال الربط المباشر بين التلسكوبات البصرية القريبة والألياف الضوئية - وهو نهج أدى في عام 2019 إلى أول ملاحظة مباشرة لكوكب خارج المجموعة الشمسية. لكن ربط تلسكوبات أبعد من كيلومتر واحد أو نحو ذلك "صعب للغاية ومكلف للغاية" ، على حد قولها ثيو تن بروميلار، مدير CHARA Array ، مصفوفة قياس التداخل البصري في كاليفورنيا. "إذا كانت هناك طريقة لتسجيل أحداث الفوتون في تلسكوب بصري مع نوع من الأجهزة الكمومية ، فسيكون ذلك نعمة عظيمة للعلم."

شقوق يونغ

جوس بلاند هوثورن و جون بارثولوميو من جامعة سيدني و ماثيو سيلارز من الجامعة الوطنية الأسترالية اقترح مؤخرا مخطط للقيام بقياس التداخل البصري مع محركات الأقراص الثابتة الكمومية.

يعود المبدأ الكامن وراء الاقتراح الجديد إلى أوائل القرن التاسع عشر ، قبل الثورة الكمومية ، عندما كان توماس يونغ ابتكر تجربة لاختبار ما إذا كان الضوء مصنوعًا من جزيئات أو موجات. مر يونغ الضوء من خلال شقين منفصلين عن كثب ورأى نمطًا من العصابات الساطعة المنتظمة تتشكل على شاشة خلفها. وقال إن نمط التداخل هذا ظهر لأن موجات الضوء من كل شق تلغي وتجمع معًا في مواقع مختلفة.

ثم أصبحت الأمور أكثر غرابة بكثير. اكتشف الفيزيائيون الكموميون أن نمط التداخل مزدوج الشق يبقى حتى لو تم إرسال الفوتونات نحو الشقين واحدًا تلو الآخر. نقطة بنقطة ، فإنها تنشئ تدريجيًا نفس نطاقات الضوء والظلام على الشاشة. ومع ذلك ، إذا قام أي شخص بمراقبة الشق الذي يمر به كل فوتون ، فإن نمط التداخل يختفي. تكون الجسيمات على شكل موجات فقط عندما تكون غير مضطربة.

تخيل الآن أنه بدلاً من شقين ، لديك تلسكوبان. عندما يصل فوتون واحد من الكون إلى الأرض ، يمكن أن يصطدم بأي من التلسكوب. حتى تقوم بقياس هذا - كما هو الحال مع شق يونغ المزدوج - يكون الفوتون موجة تدخل في كليهما.

يقترح Bland-Hawthorn و Bartholomew و Sellars توصيل قرص صلب كمي في كل تلسكوب يمكنه تسجيل وتخزين الحالات الموجية للفوتونات الواردة دون إزعاجها. بعد فترة ، تقوم بنقل محركات الأقراص الثابتة إلى مكان واحد ، حيث تتداخل مع الإشارات لإنشاء صورة عالية الدقة بشكل لا يصدق.

ذاكرة الكم

لإنجاز هذا العمل ، يتعين على محركات الأقراص الثابتة الكمومية تخزين الكثير من المعلومات على مدى فترات زمنية طويلة. حدثت نقطة تحول في عام 2015 ، عندما كان بارثولوميو وسيلارز وزملاؤهم صمم جهاز ذاكرة مصنوعة من نوى اليوروبيوم المضمنة في بلورة يمكنها تخزين حالات كمومية هشة لمدة ست ساعات ، مع إمكانية تمديدها إلى أيام.

بعد ذلك ، في وقت سابق من هذا العام ، أظهر فريق من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين في Hefei أنه يمكنك حفظ بيانات الفوتون في أجهزة مماثلة وقراءتها لاحقًا.

قال: "إنه أمر مثير ومدهش للغاية أن نرى أن تقنيات المعلومات الكمومية يمكن أن تكون مفيدة لعلم الفلك" تسونغ تشيوان تشو، الذي شارك في تأليف ورقة نشرت مؤخرا. يصف Zhou عالماً تنقل فيه القطارات عالية السرعة أو المروحيات بسرعة محركات الأقراص الثابتة الكمومية بين التلسكوبات البعيدة. ولكن يبقى أن نرى ما إذا كانت هذه الأجهزة تعمل خارج المختبرات.

بارثولوميو واثق من أنه يمكن حماية محركات الأقراص الثابتة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية الضالة التي تعطل الحالات الكمومية. لكن سيتعين عليهم أيضًا تحمل تغيرات الضغط والتسارع. ويعمل الباحثون على تصميم محركات أقراص صلبة يمكنها تخزين فوتونات بأطوال موجية مختلفة - وهي ضرورة لالتقاط صور للكون.

لا يعتقد الجميع أنها ستنجح. قال "على المدى الطويل ، إذا كانت هذه التقنيات ستصبح عملية ، فستتطلب شبكة كمومية" ميخائيل لوكين، متخصص في البصريات الكمومية في جامعة هارفارد. بدلاً من النقل المادي لمحركات الأقراص الثابتة الكمومية ، يمتلك لوكين اقترح مخطط يعتمد على الإنترنت الكمومي - شبكة من الأجهزة تسمى مكررات الكم التي تنقل الفوتونات عن بعد بين المواقع دون الإخلال بحالاتها.

يرد بارثولوميو قائلاً: "لدينا أسباب وجيهة للتفاؤل" بشأن محركات الأقراص الثابتة الكمومية. "أعتقد أنه في إطار زمني يمتد من خمس إلى عشر سنوات ، يمكنك رؤية تجارب مؤقتة حيث تبدأ فعليًا في البحث عن مصادر [فلكية] حقيقية." على النقيض من ذلك ، قال بلاند هوثورن إن بناء الإنترنت الكمي هو "عقود من الواقع".

المصدر: https://www.quantamagazine.org/famous-quantum-experiment-offers-hope-for-earth-size-telescope-20210505/