Experimento Quantum Double-Slit oferece esperança para um telescópio do tamanho da Terra

Imagine ser capaz de ver a superfície de um planeta parecido com a Terra orbitando outra estrela ou observar uma estrela sendo destruída por um buraco negro.

Essas observações precisas são atualmente impossíveis. Mas os cientistas estão propondo maneiras de conectar mecanicamente os telescópios ópticos ao redor do mundo para visualizar o cosmos em um nível de detalhe incompreensível.

O truque é transportar fótons frágeis entre telescópios, de modo que os sinais possam ser combinados, ou “interferidos”, para criar imagens muito mais nítidas. Pesquisadores têm conhecido há anos que este tipo de interferometria seria possível com uma rede futurística de dispositivos de teletransporte chamados de internet quântica. Mas, enquanto a internet quântica é um sonho distante, uma nova proposta apresenta um esquema para fazer interferometria óptica com dispositivos de armazenamento quântico que estão em desenvolvimento agora.

A abordagem representaria o próximo estágio da obsessão da astronomia com o tamanho. Espelhos mais largos criam imagens mais nítidas, então os astrônomos estão constantemente projetando telescópios cada vez maiores e vendo mais detalhes do cosmos se desdobrarem. Hoje eles estão construindo um telescópio óptico com um espelho de quase 40 metros de largura, 16 vezes a largura (e, portanto, a resolução) do Telescópio Espacial Hubble. Mas há um limite para o quanto os espelhos podem crescer.

“Não vamos construir um telescópio de abertura única de 100 metros. Isso é insano!" disse Lisa Prato, um astrônomo do Observatório Lowell, no Arizona. “Então, qual é o futuro? A interferometria do futuro. ”

Telescópio do tamanho da Terra

Os radioastrônomos fazem interferometria há décadas. O a primeira foto de um buraco negro, lançado em 2019, foi feito sincronizando sinais que chegaram a oito radiotelescópios espalhados pelo mundo. Coletivamente, os telescópios tinham o poder de resolução de um único espelho tão largo quanto a distância entre eles - um telescópio efetivamente do tamanho da Terra.

Para fazer a imagem, as ondas de rádio que chegam a cada telescópio foram precisamente marcadas com a hora e armazenadas, e os dados foram então agrupados posteriormente. O procedimento é relativamente fácil em radioastronomia, porque os objetos emissores de rádio tendem a ser extremamente brilhantes e porque as ondas de rádio são relativamente grandes e, portanto, fáceis de alinhar.

A interferometria óptica é muito mais difícil. Os comprimentos de onda visíveis medem centenas de nanômetros de comprimento, deixando muito menos espaço para erros no alinhamento das ondas de acordo com quando elas chegaram a diferentes telescópios. Além disso, os telescópios ópticos criam imagens fóton a fóton a partir de fontes muito escuras. É impossível salvar esses sinais granulados em discos rígidos normais sem perder informações vitais para fazer interferometria.

Os astrônomos conseguiram ligar diretamente os telescópios ópticos próximos a fibras ópticas - uma abordagem que levou em 2019 ao primeira observação direta de um exoplaneta. Mas conectar telescópios com mais de 1 quilômetro de distância é "extremamente difícil de manejar e caro", disse Theo ten Brummelaar, diretor do CHARA Array, um arranjo interferométrico óptico na Califórnia. “Se houvesse uma maneira de registrar eventos de fótons em um telescópio óptico com algum tipo de dispositivo quântico, isso seria um grande benefício para a ciência.”

Fendas de Young

Joss Bland-Hawthorn e João Bartolomeu da Universidade de Sydney e Matheus Sellars da Australian National University recentemente propôs um esquema para fazer interferometria óptica com discos rígidos quânticos.

O princípio por trás da nova proposta remonta ao início de 1800, antes da revolução quântica, quando Thomas Young planejou um experimento para testar se a luz é feita de partículas ou ondas. Young passou a luz por duas fendas estreitamente separadas e viu um padrão de faixas brilhantes regulares se formar em uma tela atrás. Esse padrão de interferência, argumentou ele, apareceu porque as ondas de luz de cada fenda se cancelam e se somam em locais diferentes.

Então as coisas ficaram muito mais estranhas. Os físicos quânticos descobriram que o padrão de interferência de dupla fenda permanece mesmo se os fótons forem enviados em direção às fendas um de cada vez; ponto por ponto, eles criam gradualmente as mesmas faixas de luz e escuridão na tela. No entanto, se alguém monitorar qual fenda cada fóton passa, o padrão de interferência desaparece. As partículas só são onduladas quando não perturbadas.

Agora imagine que, em vez de duas fendas, você tenha dois telescópios. Quando um único fóton do cosmos chega à Terra, ele pode atingir qualquer um dos telescópios. Até que você meça isso - como com as fendas duplas de Young - o fóton é uma onda que entra em ambos.

Bland-Hawthorn, Bartholomew e Sellars sugerem conectar um disco rígido quântico em cada telescópio que pode registrar e armazenar os estados ondulatórios dos fótons que chegam sem perturbá-los. Depois de um tempo, você transporta os discos rígidos para um único local, onde interfere nos sinais para criar uma imagem de alta resolução incrível.

Memória Quântica

Para fazer isso funcionar, os discos rígidos quânticos precisam armazenar muitas informações por longos períodos de tempo. Uma virada aconteceu em 2015, quando Bartolomeu, Sellars e colegas projetou um dispositivo de memória feito de núcleos de európio embutidos em um cristal que poderia armazenar estados quânticos frágeis por seis horas, com potencial de estender isso por dias.

Então, no início deste ano, uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei demonstrou que era possível salvar dados de fótons em dispositivos semelhantes e depois lê-los.

“É muito emocionante e surpreendente ver que as técnicas de informação quântica podem ser úteis para a astronomia”, disse Zong Quan Zhou, que foi coautor do artigo publicado recentemente. Zhou descreve um mundo no qual trens de alta velocidade ou helicópteros transportam rapidamente discos rígidos quânticos entre telescópios distantes. Mas ainda não se sabe se esses dispositivos podem funcionar fora de laboratórios.

Bartholomew está confiante de que os discos rígidos podem ser protegidos de campos elétricos e magnéticos errantes que interrompem os estados quânticos. Mas eles também terão que suportar mudanças de pressão e aceleração. E os pesquisadores estão trabalhando para projetar discos rígidos que podem armazenar fótons com muitos comprimentos de onda diferentes - uma necessidade para capturar imagens do cosmos.

Nem todo mundo acha que vai funcionar. “No longo prazo, para que essas técnicas se tornem práticas, elas exigirão uma rede quântica”, disse Mikhail Lukin, especialista em óptica quântica na Universidade de Harvard. Em vez de transportar fisicamente discos rígidos quânticos, Lukin tem propôs um esquema isso dependeria de uma internet quântica - uma rede de dispositivos chamados repetidores quânticos que teletransportam fótons entre locais sem perturbar seus estados.

Bartholomew rebate que “temos bons motivos para ser otimistas” sobre os discos rígidos quânticos. “Acho que em um período de cinco a 10 anos você poderá ver experiências experimentais em que você realmente começa a olhar para fontes [astronômicas] reais. Por outro lado, a construção de uma internet quântica, disse Bland-Hawthorn, está "a décadas da realidade".

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