Experimentul cu dublă fantă cuantică oferă speranță pentru telescopul de dimensiuni terestre

Imaginați-vă că puteți vedea suprafața unei planete asemănătoare Pământului orbitând în jurul unei alte stele sau văzând cum o stea este distrusă de o gaură neagră.

Astfel de observații precise sunt în prezent imposibile. Dar oamenii de știință propun modalități de a lega mecanic cuantic telescoapele optice din întreaga lume pentru a vizualiza cosmosul la un nivel de detalii uimitor.

Trucul este de a transporta fotoni fragili între telescoape, astfel încât semnalele să poată fi combinate sau „interferate”, pentru a crea imagini mult mai clare. Cercetătorii au cunoscut de ani de zile că acest tip de interferometrie ar fi posibil cu o rețea futuristă de dispozitive de teleportare numită a internet cuantic. Dar, în timp ce internetul cuantic este un vis îndepărtat, o nouă propunere stabilește o schemă pentru a face interferometrie optică cu dispozitive de stocare cuantică care sunt în curs de dezvoltare.

Abordarea ar reprezenta următoarea etapă a obsesiei astronomiei cu dimensiunea. Oglinzile mai largi creează imagini mai clare, astfel încât astronomii proiectează în mod constant telescoape din ce în ce mai mari și văd cum se desfășoară mai multe detalii ale cosmosului. Astăzi construiesc un telescop optic cu o oglindă de aproape 40 de metri lățime, de 16 ori lățimea (și, astfel, rezoluția) telescopului spațial Hubble. Dar există o limită a cantității de oglinzi care pot crește.

„Nu vom construi un telescop cu o singură deschidere de 100 de metri. E o nebunie! ” a spus Lisa Prato, astronom la Observatorul Lowell din Arizona. „Deci care este viitorul? Interferometria viitorului. ”

Telescopul cu dimensiunea pământului

Radioastronomii fac interferometrie de zeci de ani. prima imagine a unei găuri negre, lansat în 2019, a fost realizat prin sincronizarea semnalelor care au ajuns la opt radiotelescoape punctate în întreaga lume. Colectiv, telescoapele aveau puterea de rezolvare a unei singure oglinzi la fel de largă ca distanța dintre ele - un telescop efectiv de dimensiunea Pământului.

Pentru a realiza imaginea, undele radio care ajungeau la fiecare telescop au fost precis marcate cu timp și stocate, iar datele au fost apoi cusute împreună mai târziu. Procedura este relativ ușoară în radioastronomie, atât pentru că obiectele care emit radio tind să fie extrem de luminoase, cât și pentru că undele radio sunt relativ mari și, astfel, ușor de aliniat.

Interferometria optică este mult mai grea. Lungimile de undă vizibile măsoară sute de nanometri, lăsând mult mai puțin spațiu pentru erori în alinierea undelor în funcție de momentul în care au ajuns la diferite telescoape. Mai mult, telescoapele optice construiesc imagini foton-cu-foton din surse foarte slabe. Este imposibil să salvați aceste semnale granuloase pe hard disk-urile normale fără a pierde informații care sunt vitale pentru a face interferometrie.

Astronomii au reușit conectând direct telescoapele optice din apropiere cu fibrele optice - o abordare care a condus în 2019 la prima observare directă a unei exoplanete. Dar conectarea telescoapelor la o distanță mai mare de aproximativ 1 kilometru este „extrem de dificilă și costisitoare”, a spus Theo ten Brummelaar, director al CHARA Array, o matrice interferometrică optică din California. „Dacă ar exista un mod de a înregistra evenimente fotonice la un telescop optic cu un fel de dispozitiv cuantic, ar fi o mare binecuvântare pentru știință”.

Sliturile lui Young

Joss Bland-Paducel și Ioan Bartolomeu al Universității din Sydney și Matthew Sellars al Universității Naționale Australiene a propus recent o schemă pentru a face interferometrie optică cu hard disk-uri cuantice.

Principiul din spatele noii propuneri datează de la începutul anilor 1800, înainte de revoluția cuantică, când Thomas Young a conceput un experiment pentru a testa dacă lumina este formată din particule sau unde. Young a trecut lumina prin două fante strâns separate și a văzut un model de benzi strălucitoare obișnuite pe un ecran din spate. Acest model de interferență, a susținut el, a apărut deoarece undele de lumină din fiecare fantă se anulează și se adună împreună în locații diferite.

Apoi, lucrurile au devenit mult mai ciudate. Fizicienii cuantici au descoperit că tiparul de interferență cu două fante rămâne chiar dacă fotonii sunt trimiși către fante unul câte unul; punct cu punct, ele creează treptat aceleași benzi de lumină și întuneric pe ecran. Cu toate acestea, dacă cineva monitorizează prin ce fantă trece fiecare foton, modelul de interferență dispare. Particulele sunt asemănătoare undelor doar atunci când nu sunt deranjate.

Acum imaginați-vă că, în loc de două fante, aveți două telescoape. Când un singur foton din cosmos ajunge pe Pământ, ar putea lovi oricare dintre telescopuri. Până când măsurați acest lucru - ca și în cazul fantei duble ale lui Young - fotonul este o undă care intră în ambele.

Bland-Hawthorn, Bartholomew și Sellars sugerează conectarea unui hard disk cuantic la fiecare telescop care poate înregistra și stoca stările de undă ale fotonilor de intrare fără a le deranja. După un timp, transportați hard diskurile într-o singură locație, unde interferați semnalele pentru a crea o imagine incredibil de înaltă rezoluție.

Memoria cuantică

Pentru ca acest lucru să funcționeze, hard disk-urile cuantice trebuie să stocheze o mulțime de informații pe perioade lungi de timp. Un moment decisiv a venit în 2015, când Bartolomeu, Sellars și colegii săi a proiectat un dispozitiv de memorie realizat din nuclee de europiu încorporate într-un cristal care ar putea stoca stări cuantice fragile timp de șase ore, cu potențialul de a extinde acest lucru până la zile.

Apoi, la începutul acestui an, o echipă de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China din Hefei a demonstrat că puteți salva datele fotonice pe dispozitive similare și le puteți citi ulterior.

„Este foarte interesant și surprinzător să vezi că tehnicile cuantice de informare pot fi utile pentru astronomie”, a spus Zong-Quan Zhou, care a coautor la lucrare publicată recent. Zhou descrie o lume în care trenurile de mare viteză sau elicopterele transportă rapid hard disk-uri cuantice între telescoapele îndepărtate. Dar dacă aceste dispozitive pot funcționa în afara laboratoarelor rămâne de văzut.

Bartolomeu este încrezător că hard disk-urile pot fi protejate de câmpurile electrice și magnetice errante care perturbă stările cuantice. Dar vor trebui, de asemenea, să reziste schimbărilor de presiune și accelerației. Și cercetătorii lucrează la proiectarea de hard disk-uri care pot stoca fotoni cu lungimi de undă diferite - o necesitate pentru captarea imaginilor cosmosului.

Nu toată lumea crede că va funcționa. „Pe termen lung, pentru ca aceste tehnici să devină practice, vor necesita o rețea cuantică”, a spus Mikhail Lukin, specialist în optică cuantică la Universitatea Harvard. În loc să transporte fizic unități de disc cuantice, Lukin are a propus o schemă care s-ar baza pe un internet cuantic - o rețea de dispozitive numite repetatoare cuantice care teleportează fotoni între locații fără a le perturba stările.

Bartolomeu afirmă că „avem motive întemeiate să fim optimiști” cu privire la hard diskurile cuantice. „Cred că într-un interval de timp de cinci până la 10 ani ați putea vedea experimente provizorii în care începeți efectiv să vă uitați la surse reale [astronomice]”. În schimb, construirea unui internet cuantic, a spus Bland-Hawthorn, este „decenii față de realitate”.

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