Quantum Double-Slit-eksperiment giver håb om et teleskop i jordstørrelse

Forestil dig at være i stand til at se overfladen af ​​en jordlignende planet, der kredser om en anden stjerne, eller at se en stjerne blive revet i stykker af et sort hul.

Sådanne præcise observationer er i øjeblikket umulige. Men videnskabsmænd foreslår måder at kvantemekanisk forbinde optiske teleskoper rundt om i verden for at se kosmos på et forbløffende detaljeringsniveau.

Tricket er at transportere skrøbelige fotoner mellem teleskoper, så signalerne kan kombineres eller "forstyrres" for at skabe langt skarpere billeder. Det har forskere kendt i årevis at denne form for interferometri ville være mulig med et futuristisk netværk af teleportationsenheder kaldet a kvanteinternet. Men mens kvanteinternettet er en fjern drøm, opstiller et nyt forslag en ordning for optisk interferometri med kvantelagringsenheder, der er under udvikling nu.

Tilgangen ville repræsentere det næste trin i astronomiens besættelse af størrelse. Bredere spejle skaber skarpere billeder, så astronomer designer konstant større teleskoper og ser flere detaljer af kosmos udfolde sig. I dag bygger de et optisk teleskop med et spejl, der er næsten 40 meter bredt, 16 gange bredden (og dermed opløsningen) af Hubble-rumteleskopet. Men der er en grænse for, hvor meget spejle kan vokse.

"Vi kommer ikke til at bygge et 100-meter teleskop med enkelt blænde. Det er sindssygt!” sagde Lisa Prato, en astronom ved Lowell Observatory i Arizona. "Så hvad er fremtiden? Fremtidens interferometri."

Teleskop i jordstørrelse

Radioastronomer har lavet interferometri i årtier. Det det første billede nogensinde af et sort hul, udgivet i 2019, blev lavet ved at synkronisere signaler, der ankom til otte radioteleskoper spredt rundt om i verden. Samlet havde teleskoperne opløsningsevnen af ​​et enkelt spejl så bredt som afstanden mellem dem - et effektivt teleskop i jordstørrelse.

For at lave billedet blev radiobølger, der ankom til hvert teleskop, præcist tidsstemplet og gemt, og dataene blev derefter syet sammen senere. Fremgangsmåden er forholdsvis let i radioastronomi, både fordi radio-emitterende objekter har tendens til at være ekstremt lyse, og fordi radiobølger er relativt store og dermed nemme at stille op.

Optisk interferometri er meget sværere. Synlige bølgelængder måler hundredvis af nanometer lange, hvilket giver langt mindre plads til fejl ved at justere bølger efter, hvornår de ankom til forskellige teleskoper. Desuden bygger optiske teleskoper billeder foton-for-foton fra meget svage kilder. Det er umuligt at gemme disse kornete signaler på normale harddiske uden at miste information, der er afgørende for at udføre interferometri.

Astronomer har formået ved direkte at forbinde nærliggende optiske teleskoper med optiske fibre - en tilgang, der i 2019 førte til første direkte observation af en exoplanet. Men at forbinde teleskoper længere fra hinanden end 1 kilometer eller deromkring er "ekstremt uhåndterligt og dyrt," sagde Theo ten Brummelaar, direktør for CHARA Array, et optisk interferometrisk array i Californien. "Hvis der var en måde at optage fotonhændelser på ved et optisk teleskop med en slags kvanteanordning, ville det være en stor velsignelse for videnskaben."

Youngs Slidser

Joss Bland-Hawthorn , John Bartholomew fra University of Sydney og Matthew Sellars fra Australian National University for nylig foreslået en ordning til at udføre optisk interferometri med kvanteharddiske.

Princippet bag det nye forslag går tilbage til begyndelsen af ​​1800-tallet, før kvanterevolutionen, hvor Thomas Young udtænkt et eksperiment at teste, om lys er lavet af partikler eller bølger. Young ledte lys gennem to tæt adskilte spalter og så et mønster af regelmæssige lyse bånd dannes på en skærm bagved. Dette interferensmønster, hævdede han, dukkede op, fordi lysbølger fra hver spalte udligner og lægger sig sammen på forskellige steder.

Så blev tingene meget mærkeligere. Kvantefysikere opdagede, at det dobbeltspaltede interferensmønster forbliver, selvom fotoner sendes mod spalterne én ad gangen; prik for prik skaber de gradvist de samme bånd af lys og mørke på skærmen. Men hvis nogen overvåger, hvilken spalte hver foton går igennem, forsvinder interferensmønsteret. Partikler er kun bølgelignende, når de er uforstyrrede.

Forestil dig nu, at du i stedet for to spalter har to teleskoper. Når en enkelt foton fra kosmos ankommer til Jorden, kan den ramme begge teleskoper. Indtil du måler dette - som med Youngs dobbeltspalter - er fotonen en bølge, der går ind i begge.

Bland-Hawthorn, Bartholomew og Sellars foreslår at tilslutte en kvanteharddisk ved hvert teleskop, der kan optage og gemme de bølgelignende tilstande af indkommende fotoner uden at forstyrre dem. Efter et stykke tid transporterer du harddiskene til et enkelt sted, hvor du forstyrrer signalerne for at skabe et utroligt højopløst billede.

Kvantehukommelse

For at få dette til at fungere, skal kvanteharddiske gemme masser af information over lange perioder. Et vendepunkt kom i 2015, hvor Bartholomew, Sellars og kolleger designet en hukommelsesenhed lavet af europiumkerner indlejret i en krystal, der kunne opbevare skrøbelige kvantetilstande i seks timer, med potentiale til at udvide dette til dage.

Så, tidligere i år, demonstrerede et hold fra University of Science and Technology of China i Hefei, at man kunne gemme fotondata i lignende enheder og senere læse dem op.

"Det er meget spændende og overraskende at se, at kvanteinformationsteknikker kan være nyttige for astronomi," sagde Zong-Quan Zhou, der var medforfatter til for nylig offentliggjort papir. Zhou beskriver en verden, hvor højhastighedstog eller helikoptere hurtigt pendler kvanteharddiske mellem teleskoper, der ligger langt fra hinanden. Men om disse enheder kan fungere uden for laboratorier, er endnu uvist.

Bartholomew er overbevist om, at harddiskene kan afskærmes mod vildfarne elektriske og magnetiske felter, der forstyrrer kvantetilstande. Men de skal også modstå trykændringer og acceleration. Og forskerne arbejder på at designe harddiske, der kan lagre fotoner med mange forskellige bølgelængder - en nødvendighed for at tage billeder af kosmos.

Ikke alle tror, ​​det vil virke. "I det lange løb, hvis disse teknikker skal blive praktiske, vil de kræve et kvantenetværk," sagde Mikhail Lukin, en specialist i kvanteoptik ved Harvard University. I stedet for fysisk at transportere kvanteharddiske har Lukin foreslået en ordning der ville stole på et kvanteinternet - et netværk af enheder kaldet kvanterepeatere, der teleporterer fotoner mellem lokationer uden at forstyrre deres tilstande.

Bartholomew imødegår, at "vi har gode grunde til at være optimistiske" med hensyn til kvanteharddiske. "Jeg tror, ​​at man inden for en fem-til-10-årig tidsramme kunne se foreløbige eksperimenter, hvor man faktisk begynder at se på rigtige [astronomiske] kilder." I modsætning hertil er konstruktionen af ​​et kvanteinternet, sagde Bland-Hawthorn, "årtier fra virkeligheden."

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