Quantum Double-Slit Experiment tilbyr håp for jordstørrelse-teleskop

Tenk deg å være i stand til å se overflaten til en jordlignende planet som kretser rundt en annen stjerne, eller se en stjerne bli makulert av et svart hull.

Slike presise observasjoner er for tiden umulig. Men forskere foreslår måter å kvantemekanisk koble opp optiske teleskoper rundt om i verden for å se kosmos på et utrolig detaljnivå.

Trikset er å transportere skjøre fotoner mellom teleskoper, slik at signalene kan kombineres, eller "forstyrres", for å skape langt skarpere bilder. Forskere har kjent i årevis at denne typen interferometri ville være mulig med et futuristisk nettverk av teleporteringsenheter kalt a kvanteinternett. Men mens kvanteinternettet er en fjern drøm, legger et nytt forslag en ordning for å gjøre optisk interferometri med kvantelagringsenheter som er under utvikling nå.

Tilnærmingen ville representere neste trinn i astronomiens besettelse av størrelse. Bredere speil skaper skarpere bilder, så astronomer designer stadig større teleskoper og ser flere detaljer om kosmos utfolde seg. I dag bygger de et optisk teleskop med et speil nesten 40 meter bredt, 16 ganger bredden (og dermed oppløsningen) av Hubble-romteleskopet. Men det er en grense for hvor mye speil kan vokse.

“Vi skal ikke bygge et 100 meter teleskop med en enkelt blenderåpning. Det er sinnsykt!" sa Lisa Prato, astronom ved Lowell Observatory i Arizona. “Så hva er fremtiden? Fremtidens interferometri. ”

Jordstørrelse-teleskop

Radioastronomer har gjort interferometri i flere tiår. De det aller første bildet av et svart hull, utgitt i 2019, ble laget ved å synkronisere signaler som kom til åtte radioteleskoper spredt over hele verden. Samlet hadde teleskopene oppløsningskraften til et enkelt speil så bredt som avstanden mellom dem - et effektivt teleskop i størrelse på jorden.

For å lage bildet ble radiobølger som ankom hvert teleskop presist tidsstemplet og lagret, og dataene ble deretter sydd sammen senere. Prosedyren er relativt enkel i radioastronomi, både fordi radioemitterende objekter har en tendens til å være ekstremt lyse, og fordi radiobølger er relativt store og dermed enkle å stille opp.

Optisk interferometri er mye vanskeligere. Synlige bølgelengder måler hundrevis av nanometer lange, og gir langt mindre rom for feil i å tilpasse bølgene i henhold til når de ankom forskjellige teleskoper. Videre bygger optiske teleskoper bilder foton-for-foton fra veldig svake kilder. Det er umulig å lagre disse kornete signalene på normale harddisker uten å miste informasjon som er viktig for å gjøre interferometri.

Astronomer har klart å koble direkte optiske teleskoper i nærheten med optiske fibre - en tilnærming som førte i 2019 til første direkte observasjon av en eksoplanet. Men å koble teleskoper lenger fra hverandre enn en kilometer eller så er "ekstremt uhåndterlig og dyrt," sa Theo ten Brummelaar, direktør for CHARA Array, et optisk interferometrisk array i California. "Hvis det var en måte å registrere fotonhendelser på et optisk teleskop med en slags kvanteenhet, ville det være en stor velsignelse for vitenskapen."

Young's Slits

Joss Bland-Hawthorn og John Bartholomew fra University of Sydney og Matthew Sellars fra Australian National University nylig foreslått en ordning for å gjøre optisk interferometri med kvanteharddisker.

Prinsippet bak det nye forslaget kan spores tilbake til tidlig på 1800-tallet, før kvanterevolusjonen, da Thomas Young utarbeidet et eksperiment for å teste om lys er laget av partikler eller bølger. Young passerte lys gjennom to tett adskilte spalter og så et mønster med vanlige lyse bånd dannes på en skjerm bak. Dette interferensmønsteret, hevdet han, dukket opp fordi lysbølger fra hver spalte avbrytes og legges sammen på forskjellige steder.

Da ble ting mye mer rare. Kvantefysikere oppdaget at det dobbeltspalte interferensmønsteret forblir selv om fotoner sendes mot spaltene en om gangen; prikk for prikk skaper de gradvis de samme lys- og mørkebåndene på skjermen. Imidlertid, hvis noen overvåker hvilken spalte hver foton går gjennom, forsvinner interferensmønsteret. Partikler er bare bølgelignende når de er uforstyrret.

Tenk deg nå at du i stedet for to spalter har to teleskoper. Når en enkelt foton fra kosmos kommer til jorden, kan den treffe begge teleskopene. Inntil du måler dette - som med Youngs doble spalter - er fotonet en bølge som kommer inn i begge.

Bland-Hawthorn, Bartholomew og Sellars foreslår at du kobler til en kvanteharddisk ved hvert teleskop som kan registrere og lagre de bølgelignende tilstandene til innkommende fotoner uten å forstyrre dem. Etter en stund transporterer du harddiskene til ett sted, hvor du forstyrrer signalene for å skape et utrolig høyoppløselig bilde.

Kvanteminne

For å få dette til å fungere, må kvanteharddisker lagre mye informasjon over lange perioder. Ett vendepunkt kom i 2015, da Bartholomew, Sellars og kolleger designet en minneenhet laget av europiumkjerner innebygd i en krystall som kunne lagre skjøre kvantetilstander i seks timer, med potensial til å utvide dette til dager.

Tidligere i år demonstrerte et team fra University of Science and Technology i Kina i Hefei at du kunne lagre fotondata på lignende enheter og senere lese dem ut.

"Det er veldig spennende og overraskende å se at kvanteinformasjonsteknikker kan være nyttige for astronomi," sa Zong-Quan Zhou, som var medforfatter av nylig publisert papir. Zhou beskriver en verden der høyhastighetstog eller helikoptre raskt skifter kvanteharddisker mellom fjerntliggende teleskoper. Men om disse enhetene kan fungere utenfor laboratorier, gjenstår å se.

Bartholomew er trygg på at harddiskene kan beskyttes mot feilaktige elektriske og magnetiske felt som forstyrrer kvantetilstandene. Men de må også tåle trykkendringer og akselerasjon. Og forskerne jobber med å designe harddisker som kan lagre fotoner med mange forskjellige bølgelengder - en nødvendighet for å ta bilder av kosmos.

Ikke alle tror det vil fungere. "På sikt, hvis disse teknikkene skal bli praktiske, vil de kreve et kvantenettverk," sa Mikhail Lukin, en kvanteoptikkspesialist ved Harvard University. I stedet for å fysisk transportere kvanteharddisker, har Lukin gjort det foreslo en ordning som vil stole på et kvanteinternett - et nettverk av enheter som kalles kvante-repeatere som teleporterer fotoner mellom steder uten å forstyrre deres tilstand.

Bartholomew forteller at "vi har gode grunner til å være optimistiske" om kvanteharddisker. "Jeg tror du i løpet av en fem til ti år tidsramme kunne se foreløpige eksperimenter der du faktisk begynner å se på ekte [astronomiske] kilder." Derimot er konstruksjonen av et kvanteinternett, sa Bland-Hawthorn, "tiår fra virkeligheten."

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