آزمایش دو شکاف کوانتومی امیدی به تلسکوپ اندازه زمین می دهد

تصور کنید که بتوانید سطح سیاره ای شبیه به زمین را که به دور ستاره دیگری می چرخد، یا تماشای تکه تکه شدن ستاره ای توسط یک سیاهچاله را ببینید.

چنین مشاهدات دقیق در حال حاضر غیرممکن است. اما دانشمندان راه‌هایی را برای اتصال مکانیکی کوانتومی تلسکوپ‌های نوری در سراسر جهان پیشنهاد می‌کنند تا کیهان را در سطحی شگفت‌انگیز از جزئیات مشاهده کنند.

ترفند این است که فوتون‌های شکننده را بین تلسکوپ‌ها منتقل کنیم، به طوری که سیگنال‌ها را می‌توان با هم ترکیب کرد یا «تداخل» کرد و تصاویر بسیار واضح‌تری ایجاد کرد. محققان داشته اند سال ها شناخته شده است که این نوع تداخل سنجی با شبکه ای آینده نگر از دستگاه های انتقال از راه دور به نام a امکان پذیر خواهد بود اینترنت کوانتومی. اما در حالی که اینترنت کوانتومی رویایی دور از دسترس است، یک پیشنهاد جدید طرحی را برای انجام تداخل سنجی نوری با دستگاه های ذخیره سازی کوانتومی که اکنون در دست توسعه هستند، ارائه می دهد.

این رویکرد نشان دهنده مرحله بعدی وسواس نجوم در مورد اندازه است. آینه‌های پهن‌تر تصاویر واضح‌تری ایجاد می‌کنند، بنابراین ستاره‌شناسان دائماً تلسکوپ‌های بزرگ‌تری طراحی می‌کنند و جزئیات بیشتری از کیهان را می‌بینند. امروز آنها در حال ساخت یک تلسکوپ نوری با آینه ای نزدیک به 40 متر هستند که 16 برابر عرض (و در نتیجه وضوح) تلسکوپ فضایی هابل است. اما محدودیتی برای رشد آینه ها وجود دارد.

ما قصد ساخت یک تلسکوپ 100 متری تک روزنه را نداریم. این دیوانه کننده است!» گفت لیزا پراتواخترشناس رصدخانه لاول در آریزونا. "پس آینده چیست؟ تداخل سنجی آینده.»

تلسکوپ به اندازه زمین

ستاره شناسان رادیویی دهه هاست تداخل سنجی انجام می دهند. در اولین تصویر از یک سیاهچالهکه در سال 2019 منتشر شد، با همگام‌سازی سیگنال‌هایی که به هشت تلسکوپ رادیویی نقطه‌گذاری شده در سراسر جهان رسید، ساخته شد. در مجموع، تلسکوپ‌ها قدرت تفکیک یک آینه به اندازه فاصله بین آنها را داشتند - یک تلسکوپ به اندازه زمین.

برای ساختن تصویر، امواج رادیویی که به هر تلسکوپ می رسید دقیقاً مهر زمانی و ذخیره می شد، و سپس داده ها بعداً به هم چسبانده شدند. این روش در نجوم رادیویی نسبتاً آسان است، هم به این دلیل که اجرام رادیویی تمایل به بسیار درخشان دارند، و هم به این دلیل که امواج رادیویی نسبتاً بزرگ هستند و بنابراین به راحتی در ردیف قرار می گیرند.

تداخل سنجی نوری بسیار سخت تر است. طول موج‌های مرئی صدها نانومتر طول می‌کشند و فضای کمتری برای خطا در تراز کردن امواج با توجه به زمانی که به تلسکوپ‌های مختلف می‌رسند باقی می‌گذارند. علاوه بر این، تلسکوپ های نوری تصاویر را فوتون به فوتون از منابع بسیار کم نور می سازند. ذخیره این سیگنال های دانه دار روی هارد دیسک های معمولی بدون از دست دادن اطلاعاتی که برای انجام تداخل سنجی حیاتی است غیرممکن است.

ستاره شناسان با پیوند مستقیم تلسکوپ های نوری نزدیک با فیبرهای نوری موفق شده اند - رویکردی که در سال 2019 منجر به اولین رصد مستقیم یک سیاره فراخورشیدی. اما اتصال تلسکوپ‌هایی که از هم دورتر از یک کیلومتر یا بیشتر فاصله دارند، «بسیار غیرقابل تحمل و گران‌قیمت» است. تئو تن بروملار، مدیر آرایه CHARA، یک آرایه تداخل سنجی نوری در کالیفرنیا. اگر راهی برای ثبت رویدادهای فوتون در یک تلسکوپ نوری با نوعی دستگاه کوانتومی وجود داشته باشد، این یک موهبت بزرگ برای علم خواهد بود.

شکاف های یانگ

جاس بلاند هاتورن و جان بارتولومیو از دانشگاه سیدنی و متیو سلرز از دانشگاه ملی استرالیا اخیراً طرحی را پیشنهاد کرده است برای انجام تداخل سنجی نوری با هارد دیسک های کوانتومی.

اصل طرح پیشنهادی جدید به اوایل دهه 1800، قبل از انقلاب کوانتومی، زمانی که توماس یانگ آزمایشی ابداع کرد برای آزمایش اینکه آیا نور از ذرات یا امواج ساخته شده است. یانگ نور را از میان دو شکاف کاملاً جدا از هم عبور داد و الگویی از نوارهای روشن منظم را روی صفحه نمایش پشت سر دید. او استدلال کرد که این الگوی تداخل به این دلیل ظاهر شد که امواج نور از هر شکاف خنثی شده و در مکان‌های مختلف با هم جمع می‌شوند.

بعد همه چیز خیلی عجیب تر شد. فیزیکدانان کوانتومی کشف کردند که الگوی تداخل دو شکاف باقی می ماند حتی اگر فوتون ها یکی یکی به سمت شکاف ها فرستاده شوند. نقطه به نقطه، به تدریج همان نوارهای روشن و تاریک را روی صفحه ایجاد می کنند. با این حال، اگر کسی نظارت کند که هر فوتون از کدام شکاف عبور می کند، الگوی تداخل ناپدید می شود. ذرات فقط زمانی موجی هستند که دست نخورده باشند.

حال تصور کنید که به جای دو شکاف، دو تلسکوپ دارید. هنگامی که یک فوتون از کیهان به زمین می رسد، می تواند به هر دو تلسکوپ برخورد کند. تا زمانی که این را اندازه گیری نکنید - مانند شکاف های دوگانه یانگ - فوتون موجی است که وارد هر دو می شود.

بلاند هاتورن، بارتولومئو و سلرز پیشنهاد می کنند که در هر تلسکوپ یک هارد دیسک کوانتومی وصل کنید که می تواند حالت های موج مانند فوتون های ورودی را بدون ایجاد اختلال در آنها ثبت و ذخیره کند. پس از مدتی، هارد دیسک ها را به یک مکان منتقل می کنید، جایی که سیگنال ها را برای ایجاد یک تصویر با وضوح فوق العاده بالا تداخل می کنید.

حافظه کوانتومی

برای انجام این کار، هارد دیسک های کوانتومی باید اطلاعات زیادی را در مدت زمان طولانی ذخیره کنند. یک نقطه عطف در سال 2015 بود، زمانی که بارتولومی، سلرز و همکارانش یک دستگاه حافظه طراحی کرد ساخته شده از هسته های یوروپیوم در کریستالی که می تواند حالت های کوانتومی شکننده را به مدت XNUMX ساعت ذخیره کند و این پتانسیل را تا چند روز افزایش دهد.

سپس، اوایل سال جاری، تیمی از دانشگاه علم و فناوری چین در Hefei نشان دادند که می‌توانید داده‌های فوتون را در دستگاه‌های مشابه ذخیره کنید و بعداً آن‌ها را بخوانید.

"بسیار هیجان انگیز و شگفت انگیز است که می بینیم تکنیک های اطلاعات کوانتومی می توانند برای ستاره شناسی مفید باشند." زونگ کوان ژو، که یکی از نویسندگان اخیرا مقاله منتشر شده است. ژو دنیایی را توصیف می‌کند که در آن قطارهای پرسرعت یا هلیکوپترها به سرعت دیسک‌های سخت کوانتومی را بین تلسکوپ‌های دور از هم جابه‌جا می‌کنند. اما اینکه آیا این دستگاه‌ها می‌توانند در خارج از آزمایشگاه کار کنند یا خیر، باید دید.

Bartholomew مطمئن است که هارد دیسک ها را می توان در برابر میدان های الکتریکی و مغناطیسی اشتباه که حالت های کوانتومی را مختل می کند محافظت کرد. اما آنها همچنین باید تغییرات فشار و شتاب را تحمل کنند. و محققان در حال کار برای طراحی دیسک‌های سختی هستند که می‌توانند فوتون‌ها را با طول‌موج‌های مختلف ذخیره کنند - که برای گرفتن تصاویر از کیهان ضروری است.

همه فکر نمی کنند که کار کند. در درازمدت، اگر این تکنیک‌ها عملی شوند، به یک شبکه کوانتومی نیاز دارند میخائیل لوکین، متخصص اپتیک کوانتومی در دانشگاه هاروارد. لوکین به جای انتقال فیزیکی هارد دیسک های کوانتومی، این کار را انجام داده است طرحی را پیشنهاد کرد که به اینترنت کوانتومی متکی است - شبکه ای از دستگاه هایی به نام تکرار کننده های کوانتومی که فوتون ها را بین مکان ها بدون ایجاد اختلال در حالت های آنها از راه دور منتقل می کند.

بارتولومی می‌گوید که «دلایل خوبی برای خوش‌بین بودن» در مورد هارد دیسک‌های کوانتومی داریم. من فکر می‌کنم در یک بازه زمانی پنج تا ۱۰ ساله، می‌توانید آزمایش‌های آزمایشی را ببینید که در آن در واقع شروع به جستجوی منابع واقعی [نجومی] می‌کنید.» بلند هاثورن گفت، در مقابل، ساخت یک اینترنت کوانتومی «دهه‌ها سال با واقعیت فاصله دارد».

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