Квантовый эксперимент с двойной щелью дает надежду на телескоп размером с Землю

Представьте, что вы можете увидеть поверхность похожей на Землю планеты, вращающуюся вокруг другой звезды, или наблюдать, как черная дыра разрывает звезду.

Такие точные наблюдения в настоящее время невозможны. Но ученые предлагают способы квантово-механического соединения оптических телескопов по всему миру, чтобы рассмотреть космос с ошеломляющим уровнем детализации.

Хитрость заключается в том, чтобы переносить хрупкие фотоны между телескопами, чтобы сигналы можно было комбинировать или «мешать», чтобы создавать гораздо более четкие изображения. Исследователи известны годами что такая интерферометрия станет возможной с футуристической сетью устройств телепортации, называемой квантовый интернет. Но в то время как квантовый Интернет - это далекая мечта, в новом предложении излагается схема для проведения оптической интерферометрии с квантовыми запоминающими устройствами, которые сейчас находятся в стадии разработки.

Такой подход представляет собой следующий этап одержимости астрономами размеров. Более широкие зеркала создают более четкие изображения, поэтому астрономы постоянно проектируют все более крупные телескопы и наблюдают, как раскрывается все больше деталей космоса. Сегодня они строят оптический телескоп с зеркалом шириной почти 40 метров, что в 16 раз превышает ширину (и, следовательно, разрешение) космического телескопа Хаббла. Но есть предел тому, сколько зеркал могут вырасти.

«Мы не собираемся строить 100-метровый одноапертурный телескоп. Это безумно!" сказал Лиза Прато, астроном из обсерватории Лоуэлл в Аризоне. «Так что же будущее? Интерферометрия будущего ».

Телескоп размером с Землю

Радиоастрономы десятилетиями занимаются интерферометрией. В первая фотография черной дыры, выпущенный в 2019 году, был создан путем синхронизации сигналов, поступавших на восемь радиотелескопов, разбросанных по всему миру. В совокупности телескопы обладали разрешающей способностью одного зеркала шириной, равной расстоянию между ними - фактически телескоп размером с Землю.

Чтобы получить изображение, радиоволны, приходящие на каждый телескоп, были точно помечены и сохранены, а затем данные были сшиты вместе позже. Эта процедура относительно проста в радиоастрономии как потому, что радиоизлучающие объекты имеют тенденцию быть чрезвычайно яркими, так и потому, что радиоволны относительно велики и, следовательно, их легко выстраивать.

Оптическая интерферометрия намного сложнее. Видимые длины волн составляют сотни нанометров, что оставляет гораздо меньше места для ошибок при выравнивании волн в зависимости от того, когда они попали в разные телескопы. Более того, оптические телескопы строят изображения фотон за фотоном от очень тусклых источников. Невозможно сохранить эти зернистые сигналы на обычных жестких дисках без потери информации, необходимой для выполнения интерферометрии.

Астрономам удалось напрямую связать близлежащие оптические телескопы с оптическими волокнами - подход, который привел в 2019 году к первое прямое наблюдение экзопланеты. Но подключение телескопов на расстоянии более 1 километра или около того «чрезвычайно громоздко и дорого», - сказал он. Тео тен Браммелаар, директор CHARA Array, оптической интерферометрической матрицы в Калифорнии. «Если бы существовал способ записи фотонных событий в оптический телескоп с помощью какого-либо квантового устройства, это было бы большим благом для науки».

Щели Янга

Джосс Бланд-Боярышник и Иоанн Варфоломей Сиднейского университета и Мэтью Селларс Австралийского национального университета недавно предложил схему для оптической интерферометрии с квантовыми жесткими дисками.

Принцип, лежащий в основе нового предложения, восходит к началу 1800-х годов, до квантовой революции, когда Томас Янг разработал эксперимент чтобы проверить, состоит ли свет из частиц или волн. Янг пропускал свет через две близкорасположенные щели и видел узор из правильных ярких полос на экране позади него. Он утверждал, что эта интерференционная картина возникла из-за того, что световые волны из каждой щели компенсируются и складываются в разных местах.

Потом все стало намного страннее. Квантовые физики обнаружили, что интерференционная картина с двумя щелями сохраняется, даже если фотоны направляются к щелям по одному; точка за точкой, они постепенно создают на экране одинаковые светлые и темные полосы. Однако, если кто-то проследит, через какую щель проходит каждый фотон, интерференционная картина исчезает. Частицы имеют форму волны, только когда их не трогают.

А теперь представьте, что вместо двух щелей у вас есть два телескопа. Когда одиночный фотон из космоса прибывает на Землю, он может поразить любой телескоп. Пока вы не измеряете это - как в случае с двойными щелями Юнга - фотон - это волна, которая входит в обе.

Бланд-Хоторн, Бартоломью и Селларс предлагают подключить к каждому телескопу квантовый жесткий диск, который может записывать и сохранять волнообразные состояния входящих фотонов, не нарушая их. Через некоторое время вы переносите жесткие диски в одно место, где мешаете сигналам и создаете изображение с невероятно высоким разрешением.

Квантовая память

Чтобы это работало, квантовые жесткие диски должны хранить большой объем информации в течение длительных периодов времени. Один поворотный момент наступил в 2015 году, когда Варфоломей, Селларс и его коллеги разработал запоминающее устройство сделаны из ядер европия, встроенных в кристалл, который может хранить хрупкие квантовые состояния в течение шести часов, с потенциалом продлить это время до нескольких дней.

Затем, в начале этого года, команда из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе продемонстрировала, что вы можете сохранять данные о фотонах в аналогичных устройствах, а затем считывать их.

«Очень интересно и удивительно видеть, что методы квантовой информации могут быть полезны в астрономии», - сказал Цзун-Цюань Чжоу, который является соавтором недавно опубликованная статья. Чжоу описывает мир, в котором высокоскоростные поезда или вертолеты быстро перемещают квантовые жесткие диски между удаленными друг от друга телескопами. Но еще неизвестно, смогут ли эти устройства работать вне лабораторий.

Варфоломей уверен, что жесткие диски можно защитить от случайных электрических и магнитных полей, нарушающих квантовые состояния. Но им также придется выдерживать перепады давления и ускорения. И исследователи работают над созданием жестких дисков, которые могут хранить фотоны с разными длинами волн, что необходимо для получения изображений космоса.

Не все думают, что это сработает. «В долгосрочной перспективе, если эти методы станут практичными, они потребуют квантовой сети», - сказал он. Михаил Лукин, специалист по квантовой оптике Гарвардского университета. Вместо того, чтобы физически переносить квантовые жесткие диски, Лукин имеет предложил схему это будет полагаться на квантовый Интернет - сеть устройств, называемых квантовыми повторителями, которые телепортируют фотоны между местоположениями, не нарушая их состояний.

Варфоломей возражает, что «у нас есть веские причины для оптимизма» в отношении квантовых жестких дисков. «Я думаю, что в период от пяти до десяти лет вы можете увидеть предварительные эксперименты, в которых вы действительно начнете смотреть на реальные [астрономические] источники». Напротив, создание квантового Интернета, по словам Бланд-Хоторн, «удалено от реальности на десятилетия».

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