Eksperimen Celah Ganda Kuantum Menawarkan Harapan untuk Teleskop Seukuran Bumi

Bayangkan bisa melihat permukaan planet mirip Bumi yang mengorbit bintang lain, atau menyaksikan bintang tercabik-cabik oleh lubang hitam.

Pengamatan yang tepat seperti itu saat ini tidak mungkin. Tetapi para ilmuwan mengusulkan cara untuk menghubungkan teleskop optik di seluruh dunia secara mekanis dengan kuantum untuk melihat kosmos pada tingkat detail yang mencengangkan.

Triknya adalah dengan mengangkut foton yang rapuh di antara teleskop, sehingga sinyalnya dapat digabungkan, atau "diganggu," untuk membuat gambar yang jauh lebih tajam. Peneliti punya dikenal selama bertahun-tahun bahwa interferometri semacam ini akan dimungkinkan dengan jaringan perangkat teleportasi futuristik yang disebut a internet kuantum. Tapi sementara internet kuantum adalah mimpi yang jauh, sebuah proposal baru menjabarkan skema untuk melakukan interferometri optik dengan perangkat penyimpanan kuantum yang sedang dikembangkan sekarang.

Pendekatan tersebut akan mewakili tahap berikutnya dari obsesi astronom terhadap ukuran. Cermin yang lebih lebar menghasilkan gambar yang lebih tajam, sehingga para astronom terus merancang teleskop yang lebih besar dan melihat lebih banyak detail dari kosmos yang terungkap. Saat ini mereka sedang membangun teleskop optik dengan cermin selebar hampir 40 meter, 16 kali lebar (dan dengan demikian resolusi) Teleskop Luar Angkasa Hubble. Tapi ada batasan seberapa banyak cermin bisa tumbuh.

“Kami tidak akan membangun teleskop bukaan tunggal 100 meter. Itu gila!" kata Lisa Prato, seorang astronom di Observatorium Lowell di Arizona. “Jadi bagaimana masa depan? Interferometri masa depan. "

Teleskop Seukuran Bumi

Astronom radio telah melakukan interferometri selama beberapa dekade. Itu gambar lubang hitam untuk pertama kalinya, dirilis pada 2019, dibuat dengan menyinkronkan sinyal yang tiba di delapan teleskop radio yang tersebar di seluruh dunia. Secara kolektif, teleskop memiliki kekuatan pemecah cermin tunggal selebar jarak di antara mereka - teleskop seukuran Bumi yang efektif.

Untuk membuat gambar, gelombang radio yang tiba di setiap teleskop diberi cap waktu dan disimpan dengan tepat, dan datanya kemudian digabungkan menjadi satu. Prosedurnya relatif mudah dalam astronomi radio, baik karena objek yang memancarkan radio cenderung sangat terang, dan karena gelombang radio relatif besar sehingga mudah untuk disejajarkan.

Interferometri optik jauh lebih sulit. Panjang gelombang yang terlihat berukuran ratusan nanometer, meninggalkan ruang yang jauh lebih sedikit untuk kesalahan dalam menyelaraskan gelombang sesuai dengan saat mereka tiba di teleskop yang berbeda. Selain itu, teleskop optik membuat gambar foton demi foton dari sumber yang sangat redup. Tidak mungkin menyimpan sinyal kasar ini ke hard drive normal tanpa kehilangan informasi yang penting untuk melakukan interferometri.

Para astronom telah berhasil dengan langsung menghubungkan teleskop optik di dekatnya dengan serat optik - pendekatan yang mengarah pada 2019 ke pengamatan langsung pertama dari sebuah planet ekstrasurya. Tapi menghubungkan teleskop yang jaraknya lebih jauh dari 1 kilometer atau lebih "sangat berat dan mahal," kata Theo ten Brummelaar, direktur CHARA Array, array interferometri optik di California. "Jika ada cara merekam peristiwa foton di teleskop optik dengan semacam perangkat kuantum, itu akan menjadi keuntungan besar bagi sains."

Celah Muda

Joss Bland-Hawthorn dan John Bartolomeus dari Universitas Sydney dan Matius Sellars dari Universitas Nasional Australia baru-baru ini mengusulkan skema untuk melakukan interferometri optik dengan hard drive kuantum.

Prinsip di balik proposal baru ditelusuri kembali ke awal 1800-an, sebelum revolusi kuantum, ketika Thomas Young merancang percobaan untuk menguji apakah cahaya terbuat dari partikel atau gelombang. Young melewati cahaya melalui dua celah yang terpisah dan melihat pola pita terang biasa terbentuk di layar di belakang. Pola interferensi ini, menurutnya, muncul karena gelombang cahaya dari setiap celah meniadakan dan menjumlah di lokasi yang berbeda.

Kemudian segalanya menjadi jauh lebih aneh. Fisikawan kuantum menemukan bahwa pola interferensi celah ganda tetap ada meskipun foton dikirim ke celah satu per satu; titik demi titik, mereka secara bertahap membuat pita terang dan gelap yang sama di layar. Namun, jika ada yang memonitor celah yang dilalui setiap foton, pola interferensi menghilang. Partikel hanya seperti gelombang jika tidak diganggu.

Sekarang bayangkan, alih-alih dua celah, Anda memiliki dua teleskop. Ketika satu foton dari kosmos tiba di Bumi, foton itu bisa mengenai kedua teleskop. Sampai Anda mengukur ini - seperti celah ganda Young - foton adalah gelombang yang memasuki keduanya.

Bland-Hawthorn, Bartholomew, dan Sellars menyarankan untuk menyambungkan hard drive kuantum di setiap teleskop yang dapat merekam dan menyimpan keadaan foton yang masuk seperti gelombang tanpa mengganggu mereka. Setelah beberapa saat, Anda memindahkan hard drive ke satu lokasi, di mana Anda mengganggu sinyal untuk membuat gambar beresolusi sangat tinggi.

Memori Kuantum

Untuk membuat ini berfungsi, hard drive kuantum harus menyimpan banyak informasi dalam periode waktu yang lama. Satu titik balik terjadi pada 2015, ketika Bartholomew, Sellars, dan rekannya merancang perangkat memori terbuat dari inti europium yang tertanam dalam kristal yang dapat menyimpan status kuantum yang rapuh selama enam jam, dengan potensi untuk memperpanjangnya hingga berhari-hari.

Kemudian, awal tahun ini, tim dari Universitas Sains dan Teknologi China di Hefei mendemonstrasikan bahwa Anda dapat menyimpan data foton ke perangkat serupa dan kemudian membacanya.

"Sangat menarik dan mengejutkan melihat bahwa teknik informasi kuantum dapat berguna untuk astronomi," kata Zong-Quan Zhou, yang ikut menulis kertas yang baru diterbitkan. Zhou menggambarkan dunia di mana kereta atau helikopter berkecepatan tinggi dengan cepat memindahkan hard drive kuantum antara teleskop yang berjauhan. Tetapi apakah perangkat ini dapat bekerja di luar laboratorium masih harus dilihat.

Bartholomew yakin bahwa hard drive dapat dilindungi dari medan listrik dan magnet yang mengganggu status kuantum. Tapi mereka juga harus menahan perubahan tekanan dan akselerasi. Dan para peneliti sedang bekerja untuk merancang hard drive yang dapat menyimpan foton dengan banyak panjang gelombang yang berbeda - kebutuhan untuk menangkap gambar kosmos.

Tidak semua orang mengira itu akan berhasil. “Dalam jangka panjang, jika teknik ini menjadi praktis, mereka akan membutuhkan jaringan kuantum,” kata Mikhail lukin, seorang spesialis optik kuantum di Universitas Harvard. Alih-alih mengangkut hard drive kuantum secara fisik, Lukin melakukannya mengusulkan skema yang akan bergantung pada internet kuantum - jaringan perangkat yang disebut repeater kuantum yang menteleportasikan foton antar lokasi tanpa mengganggu statusnya.

Bartholomew membantah bahwa "kami punya alasan bagus untuk optimis" tentang hard drive kuantum. “Saya pikir dalam jangka waktu lima hingga 10 tahun Anda dapat melihat eksperimen tentatif di mana Anda benar-benar mulai melihat sumber [astronomi] yang sebenarnya.” Sebaliknya, pembangunan internet kuantum, kata Bland-Hawthorn, adalah "beberapa dekade dari kenyataan".

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