L'expérience quantique à double fente offre de l'espoir pour un télescope de la taille de la Terre

Imaginez pouvoir voir la surface d'une planète semblable à la Terre en orbite autour d'une autre étoile, ou regarder une étoile se faire déchiqueter par un trou noir.

De telles observations précises sont actuellement impossibles. Mais les scientifiques proposent des moyens de relier mécaniquement des télescopes optiques dans le monde entier afin de voir le cosmos à un niveau de détail époustouflant.

L'astuce consiste à transporter des photons fragiles entre les télescopes, de sorte que les signaux puissent être combinés, ou «interférés», pour créer des images beaucoup plus nettes. Les chercheurs ont connu depuis des années que ce type d'interférométrie serait possible avec un réseau futuriste d'appareils de téléportation appelé Internet quantique. Mais alors que l'Internet quantique est un rêve lointain, une nouvelle proposition présente un schéma d'interférométrie optique avec des dispositifs de stockage quantique en cours de développement.

L'approche représenterait la prochaine étape de l'obsession de l'astronomie pour la taille. Des miroirs plus larges créent des images plus nettes, de sorte que les astronomes conçoivent constamment des télescopes toujours plus grands et voient plus de détails sur le cosmos se dérouler. Aujourd'hui, ils construisent un télescope optique avec un miroir de près de 40 mètres de large, 16 fois la largeur (et donc la résolution) du télescope spatial Hubble. Mais il y a une limite à la croissance des miroirs.

«Nous n'allons pas construire un télescope à ouverture unique de 100 mètres. C'est dingue!" mentionné Lisa Prato, astronome à l'Observatoire Lowell en Arizona. «Alors quel est le futur? L'interférométrie du futur.

Télescope de la taille de la Terre

Les radioastronomes pratiquent l'interférométrie depuis des décennies. le première image d'un trou noir, sorti en 2019, a été réalisé en synchronisant les signaux qui sont arrivés à huit radiotélescopes disséminés dans le monde. Collectivement, les télescopes avaient le pouvoir de résolution d'un seul miroir aussi large que la distance qui les séparait - un télescope effectivement de la taille de la Terre.

Pour faire l'image, les ondes radio arrivant à chaque télescope ont été précisément horodatées et stockées, et les données ont ensuite été assemblées plus tard. La procédure est relativement simple en radioastronomie, à la fois parce que les objets émettant des radios ont tendance à être extrêmement lumineux, et parce que les ondes radio sont relativement grandes et donc faciles à aligner.

L'interférométrie optique est beaucoup plus difficile. Les longueurs d'onde visibles mesurent des centaines de nanomètres de long, laissant beaucoup moins de place à l'erreur dans l'alignement des ondes en fonction du moment où elles sont arrivées à différents télescopes. De plus, les télescopes optiques construisent des images photon par photon à partir de sources très faibles. Il est impossible de sauvegarder ces signaux granuleux sur des disques durs normaux sans perdre des informations vitales pour l'interférométrie.

Les astronomes ont réussi en reliant directement les télescopes optiques à proximité avec des fibres optiques - une approche qui a conduit en 2019 à la première observation directe d'une exoplanète. Mais la connexion de télescopes distants de plus d'un kilomètre environ est «extrêmement lourde et coûteuse», a déclaré Théo dix Brummelaar, directeur du CHARA Array, un réseau interférométrique optique en Californie. «S'il y avait un moyen d'enregistrer les événements de photons dans un télescope optique avec une sorte de dispositif quantique, ce serait une grande aubaine pour la science.»

Les fentes de Young

Joss Bland-Aubépine ainsi que Jean Barthélemy de l'Université de Sydney et Matthieu Sellars de l'Université nationale australienne a récemment proposé un schéma pour faire de l'interférométrie optique avec des disques durs quantiques.

Le principe de la nouvelle proposition remonte au début des années 1800, avant la révolution quantique, lorsque Thomas Young conçu une expérience pour tester si la lumière est faite de particules ou d'ondes. Young a fait passer la lumière à travers deux fentes étroitement séparées et a vu un motif de bandes lumineuses régulières se former sur un écran derrière. Ce motif d'interférence, a-t-il soutenu, est apparu parce que les ondes lumineuses de chaque fente s'annulent et s'additionnent à différents endroits.

Ensuite, les choses sont devenues beaucoup plus bizarres. Les physiciens quantiques ont découvert que le motif d'interférence à double fente demeure même si les photons sont envoyés vers les fentes un par un; point par point, ils créent progressivement les mêmes bandes de lumière et d'obscurité sur l'écran. Cependant, si quelqu'un surveille par quelle fente chaque photon passe, le motif d'interférence disparaît. Les particules ne ressemblent à des ondes que lorsqu'elles ne sont pas perturbées.

Imaginez maintenant qu'au lieu de deux fentes, vous ayez deux télescopes. Lorsqu'un seul photon du cosmos arrive sur Terre, il pourrait toucher l'un ou l'autre des télescopes. Jusqu'à ce que vous mesuriez cela - comme avec les doubles fentes de Young - le photon est une onde qui entre dans les deux.

Bland-Hawthorn, Bartholomew et Sellars suggèrent de brancher un disque dur quantique à chaque télescope qui peut enregistrer et stocker les états ondulatoires des photons entrants sans les déranger. Après un certain temps, vous transportez les disques durs vers un emplacement unique, où vous interférez les signaux pour créer une image incroyablement haute résolution.

Mémoire quantique

Pour que cela fonctionne, les disques durs quantiques doivent stocker de nombreuses informations sur de longues périodes. Un tournant est survenu en 2015, lorsque Bartholomew, Sellars et ses collègues conçu un périphérique de mémoire fabriqué à partir de noyaux d'europium noyés dans un cristal qui pourrait stocker des états quantiques fragiles pendant six heures, avec le potentiel de prolonger cela à plusieurs jours.

Puis, plus tôt cette année, une équipe de l'Université des sciences et technologies de Chine à Hefei a démontré que vous pouviez enregistrer des données de photons dans des appareils similaires et les lire plus tard.

«C'est très excitant et surprenant de voir que les techniques d'information quantique peuvent être utiles pour l'astronomie», a déclaré Zong Quan Zhou, qui a co-écrit le article récemment publié. Zhou décrit un monde dans lequel des trains à grande vitesse ou des hélicoptères transportent rapidement des disques durs quantiques entre des télescopes éloignés. Mais il reste à voir si ces appareils peuvent fonctionner en dehors des laboratoires.

Bartholomew est convaincu que les disques durs peuvent être protégés des champs électriques et magnétiques errants qui perturbent les états quantiques. Mais ils devront également résister aux changements de pression et aux accélérations. Et les chercheurs travaillent à la conception de disques durs capables de stocker des photons avec de nombreuses longueurs d'onde différentes - une nécessité pour capturer des images du cosmos.

Tout le monde ne pense pas que cela fonctionnera. «À long terme, si ces techniques doivent devenir pratiques, elles nécessiteront un réseau quantique», a déclaré Mikhail Lukin, spécialiste de l'optique quantique à l'Université de Harvard. Plutôt que de transporter physiquement des disques durs quantiques, Lukin a a proposé un schéma qui reposerait sur un Internet quantique - un réseau d'appareils appelés répéteurs quantiques qui téléportent des photons entre des emplacements sans perturber leurs états.

Bartholomew rétorque que «nous avons de bonnes raisons d'être optimistes» à propos des disques durs quantiques. "Je pense que dans un laps de temps de cinq à dix ans, vous pourriez voir des expériences provisoires où vous commencez réellement à regarder des sources [astronomiques] réelles." En revanche, la construction d'un Internet quantique, a déclaré Bland-Hawthorn, est «à des décennies de la réalité».

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