Quantum Double-Slit -kokeilu tarjoaa toivoa maan kokoiselle teleskoopille

Kuvittele, että pystyt näkemään maapallon kaltaisen planeetan pinnan kiertävän toisen tähden ympärillä tai katsomasta, kuinka tähti murtuu mustasta aukosta.

Tällaiset tarkat havainnot ovat tällä hetkellä mahdotonta. Mutta tutkijat ehdottavat tapoja yhdistää optiset kaukoputket kvanttimekaanisesti mekaanisesti ympäri maailmaa kosmosen tarkastelemiseksi mielenkiintoisella yksityiskohdilla.

Temppu on kuljettaa hauraita fotoneja teleskooppien välillä, jotta signaalit voidaan yhdistää tai "häiritä" ja luoda paljon terävämpiä kuvia. Tutkijat ovat tunnettu vuosia että tällainen interferometria olisi mahdollista teleportointilaitteiden futuristisella verkolla, jota kutsutaan a kvantti-internet. Mutta vaikka kvantti-internet on kaukana oleva unelma, uudessa ehdotuksessa esitetään järjestelmä optisen interferometrian suorittamiseksi nyt kehitteillä olevilla kvanttitallennuslaitteilla.

Lähestymistapa edustaisi astronomian seuraavan pakkomielteen suuruudesta. Laajemmat peilit luovat terävämpiä kuvia, joten tähtitieteilijät suunnittelevat jatkuvasti suurempia teleskooppeja ja näkevät enemmän yksityiskohtia kosmosesta. Nykyään he rakentavat optisen kaukoputken, jonka peili on lähes 40 metriä leveä, 16 kertaa suurempi kuin Hubble-avaruusteleskoopin leveys (ja siten resoluutio). Mutta peilien kasvulle on raja.

"Emme aio rakentaa 100 metrin yhden aukon teleskooppia. Se on hullua!" sanoi Lisa Prato, tähtitieteilijä Lowellin observatoriossa Arizonassa. "Mikä on tulevaisuus? Tulevaisuuden interferometria. "

Maan kokoinen teleskooppi

Radiotähtitieteilijät ovat tehneet interferometriaa vuosikymmenien ajan. kaikkien aikojen ensimmäinen kuva mustasta aukosta, julkaistu vuonna 2019, tehtiin synkronoimalla signaalit, jotka saapuivat kahdeksaan ympäri maailmaa pistettyyn radioteleskooppiin. Teleskoopeilla oli yhdessä peilin erotteluvoima yhtä leveä kuin niiden välinen etäisyys - tosiasiallisesti maapallon kokoinen teleskooppi.

Kuvan tekemiseksi kuhunkin teleskooppiin saapuvat radioaallot leimattiin ja tallennettiin tarkasti, ja tiedot sitten ommeltiin yhteen myöhemmin. Prosessi on suhteellisen helppo radioastronomiassa, sekä siksi, että radioaaltoja lähettävät kohteet ovat yleensä erittäin kirkkaita, että siksi, että radioaallot ovat suhteellisen suuria ja siten helposti järjestettävissä.

Optinen interferometria on paljon vaikeampaa. Näkyvät aallonpituudet ovat satoja nanometrejä pitkiä, jättäen paljon vähemmän virhemahdollisuuksia aaltojen kohdistamisessa sen mukaan, milloin ne saapuivat eri kaukoputkille. Lisäksi optiset teleskoopit rakentavat kuvia fotoni kerrallaan hyvin hämäristä lähteistä. Näiden rakeisten signaalien tallentaminen normaalille kiintolevylle on mahdotonta menettämättä interferometrian kannalta välttämätöntä tietoa.

Tähtitieteilijät ovat onnistuneet yhdistämällä läheiset optiset kaukoputket optisiin kuiduihin - lähestymistapa, joka johti vuonna 2019 ensimmäinen suora havainto eksoplaneetasta. Mutta kaukoputkien liittäminen kauemmas toisistaan ​​kuin kilometri on "erittäin hankalaa ja kallista", sanoi Theo ten Brummelaar, CHARA Array, optisen interferometrisen ryhmän johtaja Kaliforniassa. "Jos olisi tapa tallentaa fotonitapahtumia optisella teleskoopilla jonkinlaisella kvanttilaitteella, se olisi suuri hyöty tieteelle."

Nuorten raot

Joss Bland-Hawthorn ja John Bartholomew Sydneyn yliopiston ja Matthew Sellars Australian kansallisen yliopiston ehdotti äskettäin järjestelmää optisen interferometrian tekemiseen kvanttikiintolevyillä.

Uuden ehdotuksen periaate juontaa juurensa 1800-luvun alkuun, ennen kvanttivallankumousta, jolloin Thomas Young keksi kokeilun testata, onko valo valmistettu hiukkasista vai aalloista. Nuori läpäisi valon kahden tiiviisti erotetun raon läpi ja näki takana olevalle näytölle muodostuvan säännöllisten kirkkaiden nauhojen kuvion. Tämä häiriökuvio, hän väitti, ilmestyi, koska jokaisen raon valoaallot poistuvat ja yhdistyvät eri paikoissa.

Sitten asiat muuttuivat paljon kummallisemmiksi. Kvanttifyysikot havaitsivat, että kaksirivinen häiriökuvio säilyy, vaikka fotoneja lähetettäisiin rakoja kohti yksi kerrallaan; piste pisteeltä, ne luovat vähitellen samat valon ja pimeyden kaistat näytölle. Kuitenkin, jos joku valvoo, mikä rako jokainen fotoni menee läpi, häiriökuvio häviää. Hiukkaset ovat aaltomaisia ​​vain häiriöttöminä.

Kuvittele nyt, että sinulla on kaksi rakoa kahden teleskoopin sijasta. Kun yksi fotoni kosmosesta saapuu maapallolle, se voi osua kumpaakin teleskooppia. Kunnes mitat tätä - kuten Youngin kaksinkertaiset raot - fotoni on aalto, joka tulee molempiin.

Bland-Hawthorn, Bartholomew ja Sellars ehdottavat kvanttikiintolevyn kytkemistä jokaiselle teleskoopille, joka voi tallentaa ja tallentaa saapuvien fotonien aaltomaiset tilat häiritsemättä niitä. Jonkin ajan kuluttua kuljetat kiintolevyt yhteen paikkaan, jossa häiritset signaaleja luodaksesi uskomattoman korkean resoluution kuvan.

Kvanttimuisti

Tämän työn tekemiseksi kvanttikiintolevyjen on tallennettava paljon tietoa pitkiä aikoja. Yksi käännekohta tuli vuonna 2015, jolloin Bartholomew, Sellars ja kollegat suunnitellut muistilaitteen valmistettu europium-ytimistä, jotka on upotettu kiteeseen, joka pystyy säilyttämään hauraat kvanttitilat kuuden tunnin ajan, ja tämä voi jatkua päiviin.

Sitten aiemmin tänä vuonna eräs Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston ryhmä Hefeissä osoitti, että voit tallentaa fotonidataa vastaaviin laitteisiin ja lukea ne myöhemmin.

"On erittäin jännittävää ja yllättävää nähdä, että kvanttitietotekniikat voivat olla hyödyllisiä tähtitieteessä", sanoi Zong-Quan Zhou, joka on kirjoittanut äskettäin julkaistu paperi. Zhou kuvaa maailmaa, jossa suurnopeusjunat tai helikopterit kuljettavat nopeasti kvanttikiintolevyjä kaukana olevien kaukoputkien välillä. Mutta voivatko nämä laitteet toimia laboratorioiden ulkopuolella, on vielä nähtävissä.

Bartholomew on varma, että kiintolevyt voidaan suojata vääriltä sähkö- ja magneettikentiltä, ​​jotka häiritsevät kvanttitiloja. Mutta heidän on myös kestettävä paineenmuutokset ja kiihtyvyys. Ja tutkijat työskentelevät suunnitellakseen kiintolevyjä, jotka voivat tallentaa fotoneja monilla eri aallonpituuksilla - välttämättömyys kosmosen kuvien ottamiseksi.

Kaikki eivät ajattele, että se toimii. "Pitkällä aikavälillä, jos näistä tekniikoista tulee käytännöllisiä, ne edellyttävät kvanttiverkostoa", sanoi Mikhail lukin, kvanttioptiikan asiantuntija Harvardin yliopistossa. Sen sijaan, että kuljettaisi fyysisesti kvantti-kiintolevyjä, Lukin on ehdotti järjestelmää joka luottaisi kvantti-internetiin - kvanttitoistimiksi kutsuttujen laitteiden verkko, joka teleportoi fotoneja sijaintien välillä häiritsemättä niiden tilaa.

Bartholomew väittää, että "meillä on hyvät syyt olla optimistisia" kvanttikovalevyistä. "Luulen, että viiden tai kymmenen vuoden aikataulussa voit nähdä alustavia kokeita, joissa aloitat todellisten [tähtitieteellisten] lähteiden tarkastelun." Bland-Hawthornin mukaan kvantti-internetin rakentaminen sitä vastoin on "vuosikymmeniä todellisuudesta".

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