L'esperimento quantistico della doppia fenditura offre speranza per un telescopio di dimensioni terrestri

Immagina di poter vedere la superficie di un pianeta simile alla Terra in orbita attorno a un'altra stella o di guardare una stella che viene distrutta da un buco nero.

Tali osservazioni precise sono attualmente impossibili. Ma gli scienziati stanno proponendo modi per collegare meccanicamente quantistici telescopi ottici in tutto il mondo al fine di visualizzare il cosmo a un livello di dettaglio sbalorditivo.

Il trucco sta nel trasportare fotoni fragili tra i telescopi, in modo che i segnali possano essere combinati, o "interferiti", per creare immagini molto più nitide. I ricercatori hanno noto da anni che questo tipo di interferometria sarebbe possibile con una rete futuristica di dispositivi di teletrasporto chiamata a internet quantico. Ma mentre Internet quantistico è un sogno lontano, una nuova proposta delinea uno schema per eseguire l'interferometria ottica con dispositivi di archiviazione quantistica che sono attualmente in fase di sviluppo.

L'approccio rappresenterebbe la fase successiva dell'ossessione dell'astronomia per le dimensioni. Specchi più larghi creano immagini più nitide, quindi gli astronomi progettano costantemente telescopi sempre più grandi e vedono più dettagli del cosmo dispiegarsi. Oggi stanno costruendo un telescopio ottico con uno specchio largo quasi 40 metri, 16 volte la larghezza (e quindi la risoluzione) del telescopio spaziale Hubble. Ma c'è un limite a quanto possono crescere gli specchi.

“Non costruiremo un telescopio a singola apertura da 100 metri. È folle! " disse Lisa Prato, astronomo del Lowell Observatory in Arizona. “Allora qual è il futuro? L'interferometria del futuro. "

Telescopio di dimensioni terrestri

I radioastronomi praticano l'interferometria da decenni. Il prima immagine in assoluto di un buco nero, rilasciato nel 2019, è stato realizzato sincronizzando i segnali che sono arrivati ​​a otto radiotelescopi sparsi per il mondo. Nel complesso, i telescopi avevano il potere risolutivo di un singolo specchio largo quanto la distanza tra loro: un telescopio effettivamente delle dimensioni della Terra.

Per creare l'immagine, le onde radio che arrivano a ciascun telescopio sono state contrassegnate con precisione e memorizzate, ei dati sono stati poi uniti in seguito. La procedura è relativamente semplice in radioastronomia, sia perché gli oggetti che emettono radio tendono ad essere estremamente luminosi, sia perché le onde radio sono relativamente grandi e quindi facili da allineare.

L'interferometria ottica è molto più difficile. Le lunghezze d'onda visibili misurano centinaia di nanometri, lasciando molto meno spazio per errori nell'allineamento delle onde a seconda di quando sono arrivate a telescopi diversi. Inoltre, i telescopi ottici costruiscono immagini fotone per fotone da sorgenti molto deboli. È impossibile salvare questi segnali granulosi su normali dischi rigidi senza perdere le informazioni che sono vitali per eseguire l'interferometria.

Gli astronomi sono riusciti collegando direttamente i telescopi ottici vicini con le fibre ottiche, un approccio che ha portato nel 2019 al prima osservazione diretta di un esopianeta. Ma collegare telescopi a una distanza maggiore di 1 chilometro o giù di lì è "estremamente ingombrante e costoso", ha detto Theo dieci Brummelaar, direttore del CHARA Array, un array interferometrico ottico in California. "Se ci fosse un modo per registrare eventi fotonici su un telescopio ottico con un qualche tipo di dispositivo quantistico, sarebbe un grande vantaggio per la scienza."

Young's Slits

Joss Bland-Biancospino ed Giovanni Bartolomeo dell'Università di Sydney e Matteo Sellars dell'Australian National University ha recentemente proposto uno schema per eseguire interferometria ottica con dischi rigidi quantistici.

Il principio alla base della nuova proposta risale all'inizio del 1800, prima della rivoluzione quantistica, quando Thomas Young ideato un esperimento per verificare se la luce è composta da particelle o onde. Young fece passare la luce attraverso due fessure strettamente separate e vide uno schema di bande luminose regolari formarsi su uno schermo dietro. Questo modello di interferenza, ha affermato, è apparso perché le onde luminose di ciascuna fenditura si annullano e si sommano in posizioni diverse.

Poi le cose sono diventate molto più strane. I fisici quantistici hanno scoperto che il modello di interferenza a doppia fenditura rimane anche se i fotoni vengono inviati verso le fenditure uno alla volta; punto per punto, creano gradualmente le stesse bande chiare e scure sullo schermo. Tuttavia, se qualcuno controlla il passaggio di ciascun fotone, il modello di interferenza scompare. Le particelle sono simili all'onda solo quando sono indisturbate.

Ora immagina di avere due telescopi invece di due fenditure. Quando un singolo fotone dal cosmo arriva sulla Terra, potrebbe colpire entrambi i telescopi. Finché non misuri questo - come con le doppie fenditure di Young - il fotone è un'onda che entra in entrambi.

Bland-Hawthorn, Bartholomew e Sellars suggeriscono di collegare un disco rigido quantistico a ciascun telescopio in grado di registrare e memorizzare gli stati simili a onde dei fotoni in arrivo senza disturbarli. Dopo un po ', trasferisci i dischi rigidi in un'unica posizione, dove interferisci con i segnali per creare un'immagine ad altissima risoluzione.

Memoria quantistica

Per fare in modo che funzioni, i dischi rigidi quantistici devono memorizzare molte informazioni per lunghi periodi di tempo. Un punto di svolta è arrivato nel 2015, quando Bartholomew, Sellars e colleghi ha progettato un dispositivo di memoria fatto da nuclei di europio incorporati in un cristallo che potrebbe immagazzinare fragili stati quantistici per sei ore, con il potenziale per estenderlo a giorni.

Quindi, all'inizio di quest'anno, un team dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina a Hefei ha dimostrato che è possibile salvare i dati dei fotoni in dispositivi simili e successivamente leggerli.

"È molto eccitante e sorprendente vedere che le tecniche di informazione quantistica possono essere utili per l'astronomia", ha detto Zong Quan Zhou, che è coautore di carta recentemente pubblicata. Zhou descrive un mondo in cui treni o elicotteri ad alta velocità spostano rapidamente dischi rigidi quantistici tra telescopi distanti. Ma resta da vedere se questi dispositivi possono funzionare al di fuori dei laboratori.

Bartholomew è fiducioso che i dischi rigidi possano essere schermati da campi elettrici e magnetici errati che interrompono gli stati quantistici. Ma dovranno anche resistere alle variazioni di pressione e all'accelerazione. E i ricercatori stanno lavorando per progettare dischi rigidi in grado di memorizzare fotoni con molte lunghezze d'onda diverse, una necessità per catturare immagini del cosmo.

Non tutti pensano che funzionerà. "A lungo termine, se queste tecniche devono diventare pratiche, richiederanno una rete quantistica", ha detto Mikhail Lukin, specialista in ottica quantistica presso l'Università di Harvard. Invece di trasportare fisicamente i dischi rigidi quantistici, Lukin lo ha fatto ha proposto uno schema che farebbe affidamento su un Internet quantistico, una rete di dispositivi chiamati ripetitori quantistici che teletrasportano i fotoni tra le posizioni senza disturbare i loro stati.

Bartholomew ribatte che "abbiamo buone ragioni per essere ottimisti" riguardo ai dischi rigidi quantistici. "Penso che in un periodo di tempo compreso tra cinque e dieci anni potresti vedere esperimenti sperimentali in cui inizi effettivamente a guardare le fonti [astronomiche] reali". Al contrario, la costruzione di un Internet quantistico, ha detto Bland-Hawthorn, è "decenni dalla realtà".

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