ניסוי קוונטי כפול-חריץ מציע תקווה לטלסקופ בגודל כדור הארץ

תאר לעצמך שאתה מסוגל לראות את פני השטח של כוכב לכת דמוי כדור הארץ שמקיף כוכב אחר, או לראות כוכב נקרע מחור שחור.

תצפיות מדויקות כאלה אינן אפשריות כרגע. אבל מדענים מציעים דרכים לקשר קוונטית מכנית בין טלסקופים אופטיים ברחבי העולם כדי לראות את הקוסמוס ברמת פירוט מדהימה.

החוכמה היא להעביר פוטונים שבירים בין טלסקופים, כך שניתן יהיה לשלב את האותות, או "להפריע", כדי ליצור תמונות חדות בהרבה. לחוקרים יש ידוע במשך שנים כי סוג זה של אינטרפרומטריה יתאפשר ברשת עתידנית של מכשירי טלפורטציה הנקראת a אינטרנט קוונטי. אך בעוד שהאינטרנט הקוונטי הוא חלום רחוק, הצעה חדשה קובעת תכנית לביצוע אינטרפרומטריה אופטית למכשירי אחסון קוונטיים הנמצאים בפיתוח כעת.

הגישה תייצג את השלב הבא של האובססיה לאסטרונומיה לגודל. מראות רחבות יותר יוצרות תמונות חדות יותר, כך שאסטרונומים מתכננים כל הזמן טלסקופים גדולים יותר ויותר ורואים פרטים נוספים על הקוסמוס נפרשים. כיום הם בונים טלסקופ אופטי עם מראה שרוחבה כמעט 40 מטר, רוחב פי 16 (ובכך ברזולוציה) של טלסקופ החלל האבל. אבל יש גבול לכמה מראות יכולות לצמוח.

"אנחנו לא נקים טלסקופ עם צמצם יחיד של 100 מטר. זה מטורף!" אמר ליסה פראטו, אסטרונום במצפה הכוכבים לואל באריזונה. "אז מה העתיד? אינטרפרומטריה של העתיד. "

טלסקופ בגודל כדור הארץ

אסטרונומים ברדיו עושים אינטרפרומטריה כבר עשרות שנים. ה תמונה ראשונה אי פעם של חור שחור, שוחרר בשנת 2019, נוצר על ידי סינכרון אותות שהגיעו לשמונה טלסקופי רדיו מנוקדים ברחבי העולם. באופן קולקטיבי, לטלסקופים היה כוח הרזולוציה של מראה אחת רחבה כמו המרחק ביניהם - טלסקופ בגודל כדור הארץ ביעילות.

כדי ליצור את התמונה, גלי הרדיו שהגיעו לכל טלסקופ היו מוטבעים בזמן ומאוחסנים, והנתונים נתפרו בהמשך. ההליך קל יחסית באסטרונומיית רדיו, הן מכיוון שאובייקטים פולטי רדיו נוטים להיות בהירים במיוחד, והן מכיוון שגלי הרדיו גדולים יחסית ולכן קל להתיישר.

אינטרפרומטריה אופטית היא הרבה יותר קשה. אורכי הגל הנראים נמדדים באורך של מאות ננומטרים, ומשאירים הרבה פחות מקום לטעות ביישור גלים בהתאם למועד הגיעם לטלסקופים שונים. יתר על כן, טלסקופים אופטיים בונים תמונות פוטון אחר פוטון ממקורות עמומים מאוד. אי אפשר לשמור את האותות המגרגנים האלה בכוננים קשיחים רגילים מבלי לאבד מידע החיוני לביצוע אינטרפרומטריה.

אסטרונומים הצליחו על ידי קישור ישיר של טלסקופים אופטיים סמוכים עם סיבים אופטיים - גישה שהובילה בשנת 2019 ל תצפית ישירה ראשונה על כוכב לכת. אך חיבור טלסקופים המרוחקים יותר מקילומטר אחד בערך הוא "מאוד לא פשוט ויקר", אמר תיאו עשר ברוממלאר, מנהל מערך CHARA, מערך אינטרפרומטרי אופטי בקליפורניה. "אם הייתה דרך להקליט אירועי פוטון בטלסקופ אופטי עם מכשיר קוונטי כלשהו, ​​זה היה ברכה נהדרת למדע."

חריצים של יאנג

ג'וס בלנד-עוזרד ו ג'ון ברתולומיאו של אוניברסיטת סידני ו מתיו סלארס של האוניברסיטה הלאומית האוסטרלית לאחרונה הציע תוכנית לביצוע אינטרפרומטריה אופטית עם כוננים קשיחים קוונטיים.

העיקרון העומד מאחורי ההצעה החדשה מתואר בראשית המאה ה -1800, לפני המהפכה הקוונטית, כאשר תומאס יאנג המציא ניסוי כדי לבדוק אם האור עשוי מחלקיקים או גלים. יאנג עבר אור דרך שני חריצים המופרדים מקרוב וראה דפוס של להקות בהירות רגילות על גבי המסך מאחור. דפוס הפרעה זה, לטענתו, הופיע מכיוון שגלי האור מכל חריץ מתבטלים ומתאחדים במקומות שונים.

ואז העניינים נעשו הרבה יותר מוזרים. פיזיקאים קוונטיים גילו כי דפוס ההפרעה עם חריץ כפול נותר גם אם פוטונים נשלחים לעבר החריצים בזה אחר זה; נקודה אחר נקודה, הם יוצרים בהדרגה את אותן רצועות אור וחושך על המסך. עם זאת, אם מישהו עוקב אחר החריץ שעובר כל פוטון, דפוס ההפרעה נעלם. חלקיקים הם גליים רק כאשר הם לא מופרעים.

עכשיו דמיין שבמקום שני חריצים יש לך שני טלסקופים. כאשר פוטון יחיד מהקוסמוס מגיע לכדור הארץ, הוא עלול לפגוע בשני הטלסקופים. עד שתמדוד זאת - כמו עם החריצים הכפולים של יאנג - הפוטון הוא גל שנכנס לשניהם.

Bland-Hawthorn, Bartholomew and Sellars מציעים לחבר כונן קשיח קוונטי בכל טלסקופ שיכול להקליט ולאחסן מצבים גליים של פוטונים נכנסים מבלי להפריע להם. לאחר זמן מה, אתה מעביר את הכוננים הקשיחים למיקום אחד, שם אתה מפריע לאותות כדי ליצור תמונה ברזולוציה גבוהה להפליא.

זיכרון קוונטי

כדי לגרום לכך לעבוד, כוננים קשיחים קוונטיים צריכים לאחסן מידע רב לאורך תקופות זמן ארוכות. נקודת מפנה אחת הגיעה בשנת 2015, כאשר ברתולומיאו, מוכרים ועמיתים תכנן מכשיר זיכרון עשוי מגרעיני אירופיום המוטבעים בגביש שיכול לאחסן מצבים קוונטיים שבריריים למשך שש שעות, עם פוטנציאל להאריך זאת לימים.

ואז, מוקדם יותר השנה, צוות מאוניברסיטת סין למדע וטכנולוגיה בהפיי הוכיח שאתה יכול לשמור נתוני פוטונים למכשירים דומים ובהמשך לקרוא אותם.

"זה מאוד מרגש ומפתיע לראות שטכניקות מידע קוונטי יכולות להיות שימושיות לאסטרונומיה," אמר זונג-קוואן ג'ואו, שהיה שותף לכתיבת ה- המאמר שפורסם לאחרונה. ג'ואו מתאר עולם שבו רכבות או מסוקים מהירים מעבירים במהירות כוננים קשיחים קוונטיים בין טלסקופים רחוקים. אך האם נותר לראות אם המכשירים הללו יכולים לעבוד מחוץ למעבדות.

ברתולומיאו בטוח כי ניתן להגן על הכוננים הקשיחים מפני שדות חשמליים ומגנטיים שגויים המשבשים מצבים קוונטיים. אבל הם גם יצטרכו לעמוד בשינויי לחץ ותאוצה. והחוקרים עובדים על עיצוב כוננים קשיחים שיכולים לאחסן פוטונים באורכי גל רבים ושונים - הכרח לצילום תמונות של הקוסמוס.

לא כולם חושבים שזה יצליח. "בטווח הארוך, אם הטכניקות הללו יהפכו למעשיות, הן ידרשו רשת קוונטית," אמר מיכאיל לוקין, מומחה לאופטיקה קוונטית באוניברסיטת הרווארד. במקום להעביר פיזית כוננים קשיחים קוונטיים, יש ללוקין הציע תוכנית שתסתמך על אינטרנט קוונטי - רשת של מכשירים הנקראים חוזרים קוונטיים שמעבירים פוטונים בין מיקומים מבלי להפריע למצבם.

ברתולומיאו טוען כי "יש לנו סיבות טובות להיות אופטימיים" בנוגע לכוננים קשיחים קוונטיים. "אני חושב שבמסגרת זמן של חמש עד עשר שנים אתה יכול לראות ניסויים סתמיים שבהם אתה באמת מתחיל להסתכל על מקורות אמיתיים [אסטרונומיים]." לעומת זאת, בניית אינטרנט קוונטי, אמר בלנד-הות'ורן, היא "עשרות שנים מהמציאות".

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