Quantum Double-Slit Experiment biedt hoop voor telescoop ter grootte van de aarde

Stel je voor dat je het oppervlak van een aarde-achtige planeet in een baan om een ​​andere ster kunt zien, of kunt zien hoe een ster wordt verscheurd door een zwart gat.

Dergelijke nauwkeurige waarnemingen zijn momenteel onmogelijk. Maar wetenschappers stellen manieren voor om optische telescopen over de hele wereld kwantummechanisch met elkaar te verbinden om de kosmos op een verbijsterend detailniveau te bekijken.

De truc is om kwetsbare fotonen tussen telescopen te transporteren, zodat de signalen kunnen worden gecombineerd, of "gestoord", om veel scherpere beelden te creëren. Onderzoekers hebben al jaren bekend dat dit soort interferometrie mogelijk zou zijn met een futuristisch netwerk van teleportatieapparaten genaamd a kwantum internet. Maar terwijl het kwantuminternet een verre droom is, legt een nieuw voorstel een schema vast voor het uitvoeren van optische interferometrie met kwantumopslagapparaten die nu in ontwikkeling zijn.

De benadering zou de volgende fase vertegenwoordigen van de obsessie van astronomie met grootte. Bredere spiegels zorgen voor scherpere beelden, dus astronomen ontwerpen constant steeds grotere telescopen en zien meer details van de kosmos zich ontvouwen. Tegenwoordig bouwen ze een optische telescoop met een spiegel van bijna 40 meter breed, 16 keer de breedte (en dus resolutie) van de Hubble Space Telescope. Maar er is een limiet aan hoeveel spiegels kunnen groeien.

“We gaan geen 100 meter telescoop met enkel diafragma bouwen. Dat is gestoord!" zei Lisa Prato, een astronoom bij Lowell Observatory in Arizona. "Dus wat is de toekomst? De interferometrie van de toekomst. "

Telescoop op aarde

Radioastronomen doen al decennia lang interferometrie. De allereerste foto van een zwart gat, uitgebracht in 2019, werd gemaakt door signalen te synchroniseren die arriveerden bij acht radiotelescopen verspreid over de hele wereld. Gezamenlijk hadden de telescopen het oplossend vermogen van een enkele spiegel zo breed als de afstand ertussen - een telescoop ter grootte van de aarde.

Om de foto te maken, werden radiogolven die bij elke telescoop arriveerden nauwkeurig van een tijdstempel voorzien en opgeslagen, en de gegevens werden later aan elkaar gehecht. De procedure is relatief eenvoudig in de radioastronomie, zowel omdat radio-uitzendende objecten de neiging hebben extreem helder te zijn, als omdat radiogolven relatief groot zijn en dus gemakkelijk op één lijn kunnen worden gebracht.

Optische interferometrie is veel moeilijker. Zichtbare golflengten zijn honderden nanometers lang, waardoor er veel minder ruimte is voor fouten bij het uitlijnen van golven op basis van wanneer ze bij verschillende telescopen zijn aangekomen. Bovendien bouwen optische telescopen foton voor foton beelden op uit zeer zwakke bronnen. Het is onmogelijk om deze korrelige signalen op normale harde schijven op te slaan zonder informatie te verliezen die essentieel is voor interferometrie.

Astronomen zijn erin geslaagd door nabijgelegen optische telescopen rechtstreeks te koppelen met optische vezels - een benadering die in 2019 leidde tot de eerste directe waarneming van een exoplaneet. Maar het aansluiten van telescopen die verder uit elkaar liggen dan een kilometer of zo, is "buitengewoon log en duur", zei Theo ten Brummelaar, directeur van de CHARA Array, een optische interferometrische array in Californië. "Als er een manier was om fotongebeurtenissen vast te leggen met een optische telescoop met een soort kwantumapparaat, zou dat een grote zegen zijn voor de wetenschap."

Young's spleten

Joss Bland-meidoorn en John Bartholomeus van de Universiteit van Sydney en Matthijs Sellars van de Australian National University heeft onlangs een regeling voorgesteld voor optische interferometrie met kwantumschijven.

Het principe achter het nieuwe voorstel gaat terug tot het begin van de 1800e eeuw, vóór de kwantumrevolutie, toen Thomas Young bedacht een experiment om te testen of licht is gemaakt van deeltjes of golven. Young liet licht door twee dicht bij elkaar liggende spleten en zag een patroon van regelmatige heldere banden op een scherm erachter. Dit interferentiepatroon, zo betoogde hij, verscheen omdat lichtgolven uit elke spleet op verschillende locaties worden opgeheven en bij elkaar worden opgeteld.

Toen werd het een stuk vreemder. Kwantumfysici ontdekten dat het interferentiepatroon met dubbele spleet blijft bestaan, zelfs als fotonen een voor een naar de spleten worden gestuurd; punt voor punt creëren ze geleidelijk dezelfde banden van licht en donker op het scherm. Als iemand echter controleert door welke spleet elk foton gaat, verdwijnt het interferentiepatroon. Deeltjes zijn alleen golfachtig als ze niet worden gestoord.

Stel je nu voor dat je in plaats van twee sleuven twee telescopen hebt. Wanneer een enkel foton uit de kosmos op aarde aankomt, kan het beide telescopen raken. Totdat je dit meet - zoals bij de dubbele spleten van Young - is het foton een golf die beide binnendringt.

Bland-Hawthorn, Bartholomew en Sellars stellen voor om bij elke telescoop een kwantumschijf aan te sluiten die de golfachtige toestanden van binnenkomende fotonen kan registreren en opslaan zonder ze te storen. Na een tijdje transporteer je de harde schijven naar een enkele locatie, waar je de signalen verstoort om een ​​ongelooflijk hoge resolutie beeld te creëren.

Quantum geheugen

Om dit te laten werken, moeten kwantum-harde schijven veel informatie gedurende lange perioden opslaan. Een keerpunt kwam in 2015, toen Bartholomew, Sellars en collega's ontwierp een geheugenapparaat gemaakt van europiumkernen ingebed in een kristal dat fragiele kwantumtoestanden zes uur lang kan opslaan, met het potentieel om dit uit te breiden tot dagen.

Toen, eerder dit jaar, demonstreerde een team van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei dat je fotongegevens op vergelijkbare apparaten kunt opslaan en later kunt uitlezen.

"Het is heel opwindend en verrassend om te zien dat kwantuminformatietechnieken nuttig kunnen zijn voor astronomie", zei hij Zong Quan Zhou, die co-auteur was van het recent gepubliceerde paper. Zhou beschrijft een wereld waarin hogesnelheidstreinen of helikopters snel kwantum-harde schijven tussen verre telescopen pendelen. Maar of deze apparaten ook buiten laboratoria kunnen werken, valt nog te bezien.

Bartholomew is ervan overtuigd dat de harde schijven kunnen worden beschermd tegen dwalende elektrische en magnetische velden die kwantumtoestanden verstoren. Maar ze zullen ook drukveranderingen en versnellingen moeten kunnen weerstaan. En de onderzoekers werken aan het ontwerpen van harde schijven die fotonen met veel verschillende golflengten kunnen opslaan - een noodzaak om beelden van de kosmos vast te leggen.

Niet iedereen denkt dat het zal werken. "Als deze technieken op de lange termijn praktisch willen worden, hebben ze een kwantumnetwerk nodig", zei hij Mikhail Lukin, een kwantumoptica-specialist aan de Harvard University. In plaats van fysiek kwantum-harde schijven te transporteren, heeft Lukin stelde een schema voor dat zou steunen op een kwantuminternet - een netwerk van apparaten die kwantumrepeaters worden genoemd en die fotonen teleporteren tussen locaties zonder hun toestand te verstoren.

Bartholomew antwoordt dat "we goede redenen hebben om optimistisch te zijn" over kwantum-harde schijven. "Ik denk dat je in een tijdsbestek van vijf tot tien jaar voorlopige experimenten zou kunnen zien waarbij je daadwerkelijk naar echte [astronomische] bronnen gaat kijken." Daarentegen is de constructie van een kwantuminternet, zei Bland-Hawthorn, 'tientallen jaren verwijderd van de realiteit'.

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