Das Quanten-Doppelspaltexperiment bietet Hoffnung für ein erdgroßes Teleskop

Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Oberfläche eines erdähnlichen Planeten sehen, der einen anderen Stern umkreist, oder einen Stern beobachten, der von einem Schwarzen Loch zerfetzt wird.

Solche genauen Beobachtungen sind derzeit nicht möglich. Wissenschaftler schlagen jedoch Möglichkeiten vor, optische Teleskope auf der ganzen Welt quantenmechanisch miteinander zu verbinden, um den Kosmos auf einer umwerfenden Detailebene zu betrachten.

Der Trick besteht darin, zerbrechliche Photonen zwischen Teleskopen zu transportieren, so dass die Signale kombiniert oder „gestört“ werden können, um weitaus schärfere Bilder zu erzeugen. Forscher haben seit Jahren bekannt dass diese Art der Interferometrie mit einem futuristischen Netzwerk von Teleportationsgeräten möglich wäre, das als a bezeichnet wird Quanten-Internet. Während das Quanteninternet ein weit entfernter Traum ist, enthält ein neuer Vorschlag ein Schema für die optische Interferometrie mit Quantenspeichergeräten, die derzeit entwickelt werden.

Der Ansatz würde die nächste Stufe der Besessenheit der Astronomie von der Größe darstellen. Breitere Spiegel erzeugen schärfere Bilder, daher entwerfen Astronomen ständig immer größere Teleskope und sehen, wie sich mehr Details des Kosmos entfalten. Heute bauen sie ein optisches Teleskop mit einem Spiegel, der fast 40 Meter breit ist und die 16-fache Breite (und damit Auflösung) des Hubble-Weltraumteleskops aufweist. Aber es gibt eine Grenze, wie viel Spiegel wachsen können.

„Wir werden kein 100-Meter-Teleskop mit einer Apertur bauen. Das ist verrückt!" sagte Lisa Prato, ein Astronom am Lowell Observatory in Arizona. „Wie sieht die Zukunft aus? Die Interferometrie der Zukunft. “

Erdgroßes Teleskop

Radioastronomen betreiben seit Jahrzehnten Interferometrie. Das erstes Bild eines Schwarzen Lochs, veröffentlicht im Jahr 2019, wurde durch Synchronisieren von Signalen hergestellt, die an acht Radioteleskopen auf der ganzen Welt ankamen. Zusammen hatten die Teleskope das Auflösungsvermögen eines einzelnen Spiegels, der so groß war wie der Abstand zwischen ihnen - ein effektiv erdgroßes Teleskop.

Um das Bild zu machen, wurden Radiowellen, die an jedem Teleskop ankamen, präzise mit einem Zeitstempel versehen und gespeichert, und die Daten wurden später zusammengefügt. Das Verfahren ist in der Radioastronomie relativ einfach, sowohl weil radioemittierende Objekte dazu neigen, extrem hell zu sein, als auch weil Radiowellen relativ groß und daher leicht auszurichten sind.

Die optische Interferometrie ist viel schwieriger. Sichtbare Wellenlängen sind Hunderte von Nanometern lang und lassen viel weniger Raum für Fehler bei der Ausrichtung von Wellen, je nachdem, wann sie an verschiedenen Teleskopen angekommen sind. Darüber hinaus bauen optische Teleskope Bilder Photon für Photon aus sehr schwachen Quellen auf. Es ist unmöglich, diese körnigen Signale auf normalen Festplatten zu speichern, ohne Informationen zu verlieren, die für die Interferometrie von entscheidender Bedeutung sind.

Astronomen haben es geschafft, nahegelegene optische Teleskope direkt mit optischen Fasern zu verbinden - ein Ansatz, der 2019 zum erste direkte Beobachtung eines Exoplaneten. Das Anschließen von Teleskopen, die weiter als etwa einen Kilometer voneinander entfernt sind, ist jedoch „extrem unhandlich und teuer“, sagte er Theo ten Brummaar, Direktor des CHARA-Arrays, eines optischen interferometrischen Arrays in Kalifornien. "Wenn es eine Möglichkeit gäbe, Photonenereignisse an einem optischen Teleskop mit einer Art Quantengerät aufzuzeichnen, wäre dies ein großer Segen für die Wissenschaft."

Young's Slits

Joss Bland-Hawthorn und Johannes Bartholomäus der Universität von Sydney und Matthäus Sellars der Australian National University vor kurzem ein Schema vorgeschlagen für die optische Interferometrie mit Quantenfestplatten.

Das Prinzip des neuen Vorschlags geht auf das frühe 1800. Jahrhundert vor der Quantenrevolution zurück, als Thomas Young ein Experiment entwickelt um zu testen, ob Licht aus Partikeln oder Wellen besteht. Young ließ Licht durch zwei eng voneinander getrennte Schlitze laufen und sah, wie sich auf einem Bildschirm dahinter ein Muster aus regelmäßigen hellen Bändern bildete. Dieses Interferenzmuster, so argumentierte er, sei aufgetreten, weil sich Lichtwellen von jedem Schlitz aufheben und an verschiedenen Stellen addieren.

Dann wurde es viel seltsamer. Quantenphysiker entdeckten, dass das Doppelspalt-Interferenzmuster auch dann erhalten bleibt, wenn Photonen einzeln in Richtung der Schlitze gesendet werden. Punkt für Punkt erzeugen sie allmählich die gleichen hellen und dunklen Streifen auf dem Bildschirm. Wenn jedoch jemand überwacht, welcher Spalt jedes Photon durchläuft, verschwindet das Interferenzmuster. Partikel sind nur im ungestörten Zustand wellenförmig.

Stellen Sie sich nun vor, Sie haben anstelle von zwei Schlitzen zwei Teleskope. Wenn ein einzelnes Photon aus dem Kosmos auf der Erde ankommt, könnte es eines der beiden Teleskope treffen. Bis Sie dies messen - wie bei Youngs Doppelspalten - ist das Photon eine Welle, die in beide eintritt.

Bland-Hawthorn, Bartholomew und Sellars schlagen vor, an jedem Teleskop eine Quantenfestplatte anzuschließen, die die wellenförmigen Zustände einfallender Photonen aufzeichnen und speichern kann, ohne sie zu stören. Nach einer Weile transportieren Sie die Festplatten an einen einzigen Ort, an dem Sie die Signale stören, um ein unglaublich hochauflösendes Bild zu erstellen.

Quantenspeicher

Damit dies funktioniert, müssen Quantenfestplatten über lange Zeiträume viele Informationen speichern. Ein Wendepunkt kam 2015, als Bartholomäus, Sellars und Kollegen entwarf ein Speichergerät Hergestellt aus Europiumkernen, die in einen Kristall eingebettet sind, der sechs Stunden lang fragile Quantenzustände speichern kann, mit dem Potenzial, diese auf Tage auszudehnen.

Anfang dieses Jahres hat ein Team der chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei gezeigt, dass Sie Photonendaten auf ähnlichen Geräten speichern und später vorlesen können.

"Es ist sehr aufregend und überraschend zu sehen, dass Quanteninformationstechniken für die Astronomie nützlich sein können", sagte er Zong-Quan Zhou, der das mitverfasst hat kürzlich veröffentlichtes Papier. Zhou beschreibt eine Welt, in der Hochgeschwindigkeitszüge oder Hubschrauber Quantenfestplatten schnell zwischen weit auseinander liegenden Teleskopen pendeln. Ob diese Geräte auch außerhalb von Labors arbeiten können, bleibt abzuwarten.

Bartholomew ist zuversichtlich, dass die Festplatten vor fehlerhaften elektrischen und magnetischen Feldern geschützt werden können, die die Quantenzustände stören. Sie müssen aber auch Druckänderungen und Beschleunigungen standhalten. Und die Forscher arbeiten daran, Festplatten zu entwickeln, auf denen Photonen mit vielen verschiedenen Wellenlängen gespeichert werden können - eine Notwendigkeit, um Bilder des Kosmos aufzunehmen.

Nicht jeder glaubt, dass es funktionieren wird. "Wenn diese Techniken auf lange Sicht praktikabel werden sollen, benötigen sie ein Quantennetzwerk", sagte er Mikhail Lukin, ein Spezialist für Quantenoptik an der Harvard University. Anstatt Quantenfestplatten physisch zu transportieren, hat Lukin schlug ein Schema vor Das würde auf einem Quanten-Internet beruhen - einem Netzwerk von Geräten, die als Quanten-Repeater bezeichnet werden und Photonen zwischen Orten teleportieren, ohne ihre Zustände zu stören.

Bartholomäus kontert, dass „wir gute Gründe haben, optimistisch zu sein“, was Quantenfestplatten betrifft. "Ich denke, in einem Zeitraum von fünf bis zehn Jahren könnte man vorläufige Experimente sehen, bei denen man tatsächlich anfängt, echte [astronomische] Quellen zu untersuchen." Im Gegensatz dazu sei der Aufbau eines Quanteninternets laut Bland-Hawthorn "Jahrzehnte von der Realität entfernt".

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