Experimento cuántico de doble rendija ofrece esperanza para un telescopio del tamaño de la Tierra

Imagínese poder ver la superficie de un planeta similar a la Tierra orbitando a otra estrella, o ver cómo una estrella es destrozada por un agujero negro.

Actualmente, estas observaciones precisas son imposibles. Pero los científicos están proponiendo formas de vincular mecánicamente cuánticamente los telescopios ópticos de todo el mundo para ver el cosmos con un nivel de detalle alucinante.

El truco consiste en transportar fotones frágiles entre telescopios, de modo que las señales se puedan combinar o "interferir" para crear imágenes mucho más nítidas. Los investigadores tienen conocido por años que este tipo de interferometría sería posible con una red futurista de dispositivos de teletransportación llamada internet cuántico. Pero mientras que Internet cuántica es un sueño lejano, una nueva propuesta establece un esquema para hacer interferometría óptica con dispositivos de almacenamiento cuántico que están en desarrollo ahora.

El enfoque representaría la siguiente etapa de la obsesión de la astronomía con el tamaño. Los espejos más anchos crean imágenes más nítidas, por lo que los astrónomos están constantemente diseñando telescopios cada vez más grandes y viendo cómo se despliegan más detalles del cosmos. Hoy están construyendo un telescopio óptico con un espejo de casi 40 metros de ancho, 16 veces el ancho (y por lo tanto la resolución) del Telescopio Espacial Hubble. Pero hay un límite para la cantidad de espejos que pueden crecer.

“No vamos a construir un telescopio de apertura única de 100 metros. ¡Eso es una locura!" dicho Lisa Prato, astrónomo del Observatorio Lowell en Arizona. “Entonces, ¿cuál es el futuro? La interferometría del futuro ".

Telescopio del tamaño de la Tierra

Los radioastrónomos han estado haciendo interferometría durante décadas. La primera imagen de un agujero negro, lanzado en 2019, se realizó sincronizando señales que llegaron a ocho radiotelescopios repartidos por todo el mundo. En conjunto, los telescopios tenían el poder de resolución de un solo espejo tan ancho como la distancia entre ellos: un telescopio del tamaño de la Tierra.

Para hacer la imagen, las ondas de radio que llegaban a cada telescopio se marcaron con precisión y se almacenaron, y los datos se unieron más tarde. El procedimiento es relativamente fácil en radioastronomía, tanto porque los objetos emisores de radio tienden a ser extremadamente brillantes, como porque las ondas de radio son relativamente grandes y, por lo tanto, fáciles de alinear.

La interferometría óptica es mucho más difícil. Las longitudes de onda visibles miden cientos de nanómetros, lo que deja mucho menos margen de error al alinear las ondas según el momento en que llegaron a diferentes telescopios. Además, los telescopios ópticos crean imágenes fotón a fotón a partir de fuentes muy tenues. Es imposible guardar estas señales granuladas en discos duros normales sin perder información que es vital para realizar interferometría.

Los astrónomos han logrado vincular directamente telescopios ópticos cercanos con fibras ópticas, un enfoque que llevó en 2019 a la primera observación directa de un exoplaneta. Pero conectar telescopios a más de 1 kilómetro de distancia es "extremadamente difícil de manejar y costoso", dijo. Theo ten Brummelaar, director de CHARA Array, una matriz de interferometría óptica en California. "Si hubiera una forma de registrar eventos de fotones en un telescopio óptico con algún tipo de dispositivo cuántico, sería una gran ayuda para la ciencia".

Ranuras de Young

Joss Bland-Espino y Juan Bartolomé de la Universidad de Sydney y Mateo Sellars de la Universidad Nacional de Australia recientemente propuso un esquema para realizar interferometría óptica con discos duros cuánticos.

El principio detrás de la nueva propuesta se remonta a principios del siglo XIX, antes de la revolución cuántica, cuando Thomas Young ideó un experimento para probar si la luz está hecha de partículas u ondas. Young pasó la luz a través de dos rendijas muy separadas y vio formarse un patrón de bandas brillantes regulares en una pantalla detrás. Este patrón de interferencia, argumentó, apareció porque las ondas de luz de cada rendija se cancelan y se suman en diferentes ubicaciones.

Entonces las cosas se pusieron mucho más raras. Los físicos cuánticos descubrieron que el patrón de interferencia de doble rendija permanece incluso si los fotones se envían hacia las rendijas de uno en uno; punto a punto, crean gradualmente las mismas bandas de luz y oscuridad en la pantalla. Sin embargo, si alguien monitorea qué rendija atraviesa cada fotón, el patrón de interferencia desaparece. Las partículas solo son onduladas cuando no se las perturba.

Ahora imagina que, en lugar de dos rendijas, tienes dos telescopios. Cuando un solo fotón del cosmos llega a la Tierra, podría impactar en cualquiera de los telescopios. Hasta que mida esto, como con las rendijas dobles de Young, el fotón es una onda que ingresa a ambas.

Bland-Hawthorn, Bartholomew y Sellars sugieren conectar un disco duro cuántico en cada telescopio que pueda registrar y almacenar los estados ondulantes de los fotones entrantes sin perturbarlos. Después de un tiempo, transporta los discos duros a una única ubicación, donde interfiere las señales para crear una imagen de increíble alta resolución.

Memoria cuántica

Para que esto funcione, los discos duros cuánticos deben almacenar mucha información durante largos períodos de tiempo. Un punto de inflexión llegó en 2015, cuando Bartholomew, Sellars y sus colegas diseñó un dispositivo de memoria hecho de núcleos de europio incrustados en un cristal que podría almacenar estados cuánticos frágiles durante seis horas, con el potencial de extenderlo a días.

Luego, a principios de este año, un equipo de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China en Hefei demostró que se podían guardar datos de fotones en dispositivos similares y luego leerlos en voz alta.

"Es muy emocionante y sorprendente ver que las técnicas de información cuántica pueden ser útiles para la astronomía", dijo. Zong Quan Zhou, quien fue coautor del papel publicado recientemente. Zhou describe un mundo en el que trenes de alta velocidad o helicópteros transportan rápidamente discos duros cuánticos entre telescopios distantes. Pero aún está por verse si estos dispositivos pueden funcionar fuera de los laboratorios.

Bartholomew confía en que los discos duros pueden protegerse de los campos eléctricos y magnéticos errantes que alteran los estados cuánticos. Pero también tendrán que soportar cambios de presión y aceleración. Y los investigadores están trabajando para diseñar discos duros que puedan almacenar fotones con muchas longitudes de onda diferentes, una necesidad para capturar imágenes del cosmos.

No todo el mundo piensa que funcionará. "A largo plazo, para que estas técnicas se vuelvan prácticas, necesitarán una red cuántica", dijo. Mikhail Lukin, especialista en óptica cuántica de la Universidad de Harvard. En lugar de transportar físicamente discos duros cuánticos, Lukin ha propuso un esquema que dependería de una Internet cuántica, una red de dispositivos llamados repetidores cuánticos que teletransportan fotones entre ubicaciones sin alterar sus estados.

Bartholomew responde que "tenemos buenas razones para ser optimistas" acerca de los discos duros cuánticos. "Creo que en un período de tiempo de cinco a diez años podrías ver experimentos tentativos en los que realmente comienzas a buscar fuentes [astronómicas] reales". Por el contrario, la construcción de una Internet cuántica, dijo Bland-Hawthorn, está "a décadas de la realidad".

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