Eksperyment z podwójną szczeliną kwantową daje nadzieję na teleskop wielkości Ziemi

Wyobraź sobie, że możesz zobaczyć powierzchnię planety podobnej do Ziemi krążącej wokół innej gwiazdy lub gwiazdę rozrywaną przez czarną dziurę.

Tak dokładne obserwacje są obecnie niemożliwe. Naukowcy proponują jednak sposoby mechanicznego połączenia teleskopów optycznych na całym świecie w celu oglądania kosmosu z zadziwiającą szczegółowością.

Sztuka polega na transporcie delikatnych fotonów między teleskopami, tak aby sygnały można było łączyć, czyli „interferować”, w celu uzyskania znacznie ostrzejszych obrazów. Naukowcy tak mają znany od lat że tego rodzaju interferometria byłaby możliwa dzięki futurystycznej sieci urządzeń teleportacyjnych zwanej a Internet kwantowy. Chociaż jednak Internet kwantowy jest odległym marzeniem, w nowej propozycji przedstawiono schemat przeprowadzania interferometrii optycznej z kwantowymi urządzeniami magazynującymi, które są obecnie opracowywane.

Takie podejście stanowiłoby kolejny etap obsesji astronomii na punkcie rozmiaru. Szersze zwierciadła tworzą ostrzejsze obrazy, dlatego astronomowie stale projektują coraz większe teleskopy i dostrzegają więcej szczegółów odkrywanego kosmosu. Dziś budują teleskop optyczny ze zwierciadłem o szerokości prawie 40 metrów, czyli 16 razy większej szerokości (a tym samym rozdzielczości) Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Istnieje jednak granica tego, jak bardzo lustra mogą urosnąć.

„Nie będziemy budować 100-metrowego teleskopu z pojedynczą aperturą. To jest szalone!" powiedział Lisa Prato, astronom z Obserwatorium Lowell w Arizonie. „Jaka więc będzie przyszłość? Interferometria przyszłości.”

Teleskop wielkości Ziemi

Radioastronomowie zajmują się interferometrią od dziesięcioleci. The pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury, opublikowany w 2019 r., powstał w wyniku synchronizacji sygnałów, które dotarły do ​​ośmiu radioteleskopów rozsianych po całym świecie. Łącznie teleskopy miały zdolność rozdzielczą pojedynczego zwierciadła tak dużą, jak odległość między nimi – czyli teleskop faktycznie wielkości Ziemi.

Aby uzyskać taki obraz, fale radiowe docierające do każdego teleskopu zostały precyzyjnie oznaczone czasem i zapisane, a następnie dane zostały później połączone. Procedura jest stosunkowo łatwa w radioastronomii, zarówno dlatego, że obiekty emitujące fale radiowe są zwykle niezwykle jasne, jak i dlatego, że fale radiowe są stosunkowo duże, a zatem łatwe do ułożenia.

Interferometria optyczna jest znacznie trudniejsza. Widoczne długości fal mierzą setki nanometrów, pozostawiając znacznie mniej miejsca na błędy w ustawianiu fal w zależności od tego, kiedy dotarły do ​​różnych teleskopów. Co więcej, teleskopy optyczne tworzą obrazy foton po fotonie z bardzo słabych źródeł. Niemożliwe jest zapisanie tych ziarnistych sygnałów na normalnych dyskach twardych bez utraty informacji niezbędnych do wykonywania interferometrii.

Astronomom udało się to poprzez bezpośrednie połączenie pobliskich teleskopów optycznych za pomocą światłowodów – podejście to doprowadziło w 2019 r. pierwsza bezpośrednia obserwacja egzoplanety. Jednak łączenie teleskopów w odległości większej niż 1 km jest „niezwykle nieporęczne i kosztowne” – stwierdził. Theo ten Brummelaar, dyrektor CHARA Array, optycznego układu interferometrycznego w Kalifornii. „Gdyby istniał sposób rejestrowania zdarzeń fotonowych za pomocą teleskopu optycznego za pomocą jakiegoś urządzenia kwantowego, byłby to wielki dobrodziejstwo dla nauki”.

Szczeliny Younga

Jossa Bland-Hawthorna i Jan Bartłomiej Uniwersytetu w Sydney i Mateusz Sellars Australijskiego Uniwersytetu Narodowego niedawno zaproponował schemat do wykonywania interferometrii optycznej z kwantowymi dyskami twardymi.

Zasada nowej propozycji sięga początków XIX wieku, przed rewolucją kwantową, kiedy Thomas Young wymyślił eksperyment aby sprawdzić, czy światło składa się z cząstek czy fal. Young przepuścił światło przez dwie blisko siebie oddalone szczeliny i zobaczył wzór regularnych, jasnych pasm tworzących się na ekranie znajdującym się za nimi. Argumentował, że ten wzór interferencji pojawił się, ponieważ fale świetlne z każdej szczeliny znoszą się i sumują w różnych miejscach.

Potem wszystko stało się o wiele dziwniejsze. Fizycy kwantowi odkryli, że wzór interferencji dwóch szczelin pozostaje nawet wtedy, gdy fotony są wysyłane w stronę szczelin pojedynczo; kropka po kropce, stopniowo tworzą na ekranie te same pasma światła i ciemności. Jeśli jednak ktoś monitoruje, przez którą szczelinę przechodzi każdy foton, wzór interferencji znika. Cząsteczki mają kształt fali tylko wtedy, gdy nie są zakłócane.

Teraz wyobraź sobie, że zamiast dwóch szczelin masz dwa teleskopy. Kiedy pojedynczy foton z kosmosu dotrze na Ziemię, może uderzyć w którykolwiek teleskop. Dopóki tego nie zmierzysz – jak w przypadku podwójnych szczelin Younga – foton jest falą, która przechodzi przez obie.

Bland-Hawthorn, Bartholomew i Sellars sugerują podłączenie do każdego teleskopu kwantowego dysku twardego, który może rejestrować i przechowywać stany falowe przychodzących fotonów bez zakłócania ich. Po chwili przenosisz dyski twarde w jedno miejsce, gdzie zakłócasz sygnały, aby stworzyć obraz o niewiarygodnie wysokiej rozdzielczości.

Pamięć kwantowa

Aby to zadziałało, kwantowe dyski twarde muszą przechowywać wiele informacji przez długi czas. Jeden punkt zwrotny nastąpił w 2015 roku, kiedy Bartholomew, Sellars i współpracownicy zaprojektował urządzenie pamięciowe wykonane z jąder europu osadzonych w krysztale, który może przechowywać delikatne stany kwantowe przez sześć godzin, z możliwością wydłużenia tego okresu do kilku dni.

Następnie, na początku tego roku, zespół z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei wykazał, że można zapisać dane fotonów na podobnych urządzeniach, a następnie je odczytać.

„To bardzo ekscytujące i zaskakujące widzieć, że techniki informacji kwantowej mogą być przydatne w astronomii” – powiedział Zong-Quan Zhou, który jest współautorem niedawno opublikowany artykuł. Zhou opisuje świat, w którym szybkie pociągi lub helikoptery szybko transportują kwantowe dyski twarde między odległymi teleskopami. Czas pokaże, czy urządzenia te będą mogły działać poza laboratoriami.

Bartholomew jest przekonany, że dyski twarde można chronić przed błędnymi polami elektrycznymi i magnetycznymi, które zakłócają stany kwantowe. Ale będą również musiały wytrzymać zmiany ciśnienia i przyspieszenie. Naukowcy pracują nad zaprojektowaniem dysków twardych, które będą w stanie przechowywać fotony o wielu różnych długościach fal, co jest niezbędne do rejestrowania obrazów kosmosu.

Nie wszyscy myślą, że to zadziała. „Jeśli na dłuższą metę techniki te mają stać się praktyczne, będą wymagały sieci kwantowej” – powiedział Michaił Lukin, specjalista optyki kwantowej na Uniwersytecie Harvarda. Zamiast fizycznie transportować kwantowe dyski twarde, Lukin to zrobił zaproponował schemat które opierałyby się na Internecie kwantowym — sieci urządzeń zwanych wzmacniaczami kwantowymi, które teleportują fotony między lokalizacjami bez zakłócania ich stanów.

Bartholomew odpowiada, że ​​„mamy powody do optymizmu” w sprawie kwantowych dysków twardych. „Myślę, że za pięć do dziesięciu lat można będzie przeprowadzić wstępne eksperymenty, w ramach których zacznie się przyglądać prawdziwym źródłom [astronomicznym]”. Z kolei budowa Internetu kwantowego, jak stwierdził Bland-Hawthorn, jest „odległa o dekady od rzeczywistości”.

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