量子二重スリット実験は地球サイズの望遠鏡への希望を提供します

別の恒星を周回する地球に似た惑星の表面や、ブラック ホールによって星が粉砕される様子を観察できることを想像してみてください。

このような正確な観測は現時点では不可能です。しかし科学者たちは、驚くべき詳細レベルで宇宙を観察するために、世界中の光学望遠鏡を量子力学的に接続する方法を提案している。

その秘訣は、壊れやすい光子を望遠鏡間で輸送することで、信号を結合、つまり「干渉」させて、より鮮明な画像を作成できるようにすることです。研究者は、 長年知られている この種の干渉法は、「」と呼ばれる未来のテレポーテーション デバイスのネットワークで可能になるだろうと 量子インターネット。しかし、量子インターネットは遠い夢だが、新しい提案では、現在開発中の量子記憶装置を使って光干渉法を行うスキームが示されている。

このアプローチは、サイズに対する天文学の執着の次の段階を表すものとなるでしょう。幅の広い鏡はより鮮明な画像を生成するため、天文学者は常により大きな望遠鏡を設計し、宇宙のより詳細な展開を観察しています。現在、彼らはハッブル宇宙望遠鏡の幅 (したがって解像度) の 40 倍、幅約 16 メートルのミラーを備えた光学望遠鏡を構築しています。ただし、ミラーの成長量には制限があります。

「私たちは100メートルの単口径望遠鏡を作るつもりはありません。それは正気の沙汰ではありません！言った リサ・プラート、アリゾナ州ローウェル天文台の天文学者。 「それで、未来は何ですか？未来の干渉法。」

地球サイズの望遠鏡

電波天文学者は何十年も干渉法を研究してきました。の ブラックホールの史上初の写真は2019年に公開され、世界中に点在するXNUMXつの電波望遠鏡に届いた信号を同期させて作られた。これらの望遠鏡を合わせると、それらの望遠鏡間の距離と同じ広さの XNUMX 枚の鏡の解像力があり、事実上地球サイズの望遠鏡となります。

画像を作成するために、各望遠鏡に到着する電波に正確にタイムスタンプが付けられて保存され、後でデータがつなぎ合わされました。電波天文学では、電波を発する物体は非常に明るい傾向にあり、また電波が比較的大きいため位置合わせが容易であるため、この手順は比較的簡単です。

光干渉計ははるかに難しいです。可視波長の長さは数百ナノメートルであるため、異なる望遠鏡に到着したタイミングに応じて波を調整する際に誤差が生じる余地ははるかに少なくなります。さらに、光学望遠鏡は、非常に暗い光源から光子ごとに画像を構築します。干渉計を行うために不可欠な情報を失わずに、これらの粒子の粗い信号を通常のハードドライブに保存することは不可能です。

天文学者たちは、近くの光学望遠鏡を光ファイバーで直接接続することで対処してきた。このアプローチは、2019 年に 系外惑星の初の直接観測。しかし、1キロメートルほど離れた望遠鏡を接続するのは「非常に扱いにくく、費用もかかる」と同氏は述べた。 テオ・テン・ブルンメラール、カリフォルニアの光干渉アレイであるCHARA Arrayのディレクター。 「何らかの量子デバイスを使って光学望遠鏡で光子の出来事を記録する方法があれば、それは科学にとって大きな恩恵となるでしょう。」

ヤングスリット

ジョス・ブランド・ホーソーン & ジョン・バーソロミュー シドニー大学の博士号と マシュー・セラーズ オーストラリア国立大学の 最近提案された計画 量子ハードドライブで光干渉法を行うため。

新しい提案の背後にある原理は、量子革命以前の 1800 年代初頭に遡ります。 実験を考案した 光が粒子でできているか波でできているかをテストします。ヤングは、ぴったりと離れた 2 つのスリットに光を通すと、背後のスクリーンに規則的な明るい帯のパターンが形成されるのを見ました。この干渉パターンは、各スリットからの光波が打ち消し合い、異なる場所で加算されるために現れると彼は主張した。

その後、事態はさらに奇妙になりました。量子物理学者は、光子が一度に 1 つずつスリットに向かって送信された場合でも、二重スリット干渉パターンが残ることを発見しました。点ごとに、画面上に同じ明暗の帯が徐々に作成されます。しかし、各光子がどのスリットを通過するかを誰かが監視すると、干渉パターンは消えます。粒子は、乱されていない場合にのみ波状になります。

ここで、2 つのスリットの代わりに 2 つの望遠鏡があると想像してください。宇宙からの単一の光子が地球に到着すると、どちらかの望遠鏡に衝突する可能性があります。これを測定するまでは、ヤングの二重スリットと同様に、光子は両方に入る波です。

ブランドホーソーン氏、バーソロミュー氏、セラーズ氏は、入ってくる光子の波状状態を邪魔することなく記録し保存できる量子ハードドライブを各望遠鏡に接続することを提案している。しばらくしてから、ハード ドライブを 1 か所に移動し、そこで信号を干渉して信じられないほど高解像度の画像を作成します。

量子メモリ

これを機能させるには、量子ハードドライブに大量の情報を長期間にわたって保存する必要があります。一つの転機は 2015 年に起こりました。 記憶装置を設計した 結晶に埋め込まれたユウロピウム原子核から作られ、壊れやすい量子状態を6時間保存でき、これを数日間に延長できる可能性がある。

そして今年初め、合肥にある中国科学技術大学のチームは、光子データを同様のデバイスに保存し、後で読み出すことができることを実証しました。

「量子情報技術が天文学に役立つ可能性があることを知るのは、非常に刺激的で驚くべきことです。」と彼は言いました。 周宗泉の共著者です。 最近発表された論文。周氏は、高速列車やヘリコプターが遠く離れた望遠鏡間で量子ハードドライブを高速で往復させる世界について説明している。しかし、これらのデバイスが研究室の外でも機能するかどうかはまだ分からない。

Bartholomew 氏は、量子状態を乱す誤った電場や磁場からハードドライブを保護できると確信しています。しかし、圧力の変化や加速にも耐えなければなりません。そして研究者らは、宇宙の画像を撮影するために必要な、さまざまな波長の光子を保存できるハードドライブの設計に取り組んでいます。

誰もがそれがうまくいくと思っているわけではありません。 「長期的には、これらの技術が実用化されるのであれば、量子ネットワークが必要になるだろう」と述べた。 ミハイル・ルキン、ハーバード大学の量子光学の専門家。 Lukin は、量子ハードドライブを物理的に輸送するのではなく、 計画を提案した それは量子インターネット、つまり状態を乱すことなく場所間で光子をテレポートする量子リピーターと呼ばれるデバイスのネットワークに依存することになる。

Bartholomew 氏は、量子ハードドライブについて「楽観的になる十分な理由がある」と反論します。 「10年からXNUMX年の時間枠で、実際に本物の[天文]情報源を調べ始める暫定的な実験が行われる可能性があると思います。」対照的に、量子インターネットの構築は「現実から数十年かかる」とブランド・ホーソーン氏は述べた。

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