Kvantni eksperiment z dvojno režo ponuja upanje za teleskop velikosti Zemlje

Predstavljajte si, da lahko vidite površino planeta, podobnega Zemlji, ki kroži okoli druge zvezde, ali pa opazujete zvezdo, ki jo drobi črna luknja.

Tako natančna opazovanja so trenutno nemogoča. Toda znanstveniki predlagajo načine, kako kvantno mehansko povezati optične teleskope po vsem svetu, da bi vesolje lahko gledali z neverjetno natančnostjo.

Trik je v transportu krhkih fotonov med teleskopi, tako da lahko signale kombiniramo ali "interferiramo", da ustvarimo precej ostrejše slike. Raziskovalci so znana že leta da bi bila taka interferometrija mogoča s futuristično mrežo teleportacijskih naprav, imenovano a kvantni internet. A čeprav je kvantni internet daleč v sanjah, nov predlog postavlja shemo za optično interferometrijo s kvantnimi napravami za shranjevanje, ki so v fazi razvoja.

Pristop bi predstavljal naslednjo stopnjo obsedenosti astronomije z velikostjo. Širša ogledala ustvarjajo ostrejše slike, zato astronomi nenehno načrtujejo vedno večje teleskope in vidijo, kako se odpira več podrobnosti o vesolju. Danes gradijo optični teleskop s skoraj 40 metrov širokim ogledalom, 16-kratno širino (in s tem ločljivostjo) vesoljskega teleskopa Hubble. Vendar obstaja omejitev, koliko ogledal lahko zraste.

»Ne bomo gradili 100-metrskega teleskopa z eno odprtino. To je noro! " rekel Lisa Prato, astronom na observatoriju Lowell v Arizoni. »Torej, kaj je prihodnost? Interferometrija prihodnosti. "

Teleskop velikosti Zemlje

Radijski astronomi se že desetletja ukvarjajo z interferometrijo. The prva slika črne luknje, ki je izšel leta 2019, je bil narejen s sinhronizacijo signalov, ki so prispeli na osem radijskih teleskopov po vsem svetu. Skupaj so teleskopi imeli ločljivo moč enega samega ogledala, širokega kot razdalja med njimi - dejansko teleskopa v velikosti Zemlje.

Da bi posneli sliko, so bili radijski valovi, ki so prihajali na vsak teleskop, natančno označeni s časom in shranjeni, podatki pa so bili kasneje združeni. Postopek je v radijski astronomiji razmeroma enostaven, ker so predmeti, ki oddajajo radio, ponavadi izjemno svetli, in ker so radijski valovi razmeroma veliki in jih je zato enostavno poravnati.

Optična interferometrija je veliko težja. Vidne valovne dolžine merijo na stotine nanometrov in puščajo veliko manj prostora za napake pri poravnavi valov glede na to, kdaj so prispeli na različne teleskope. Poleg tega optični teleskopi gradijo slike foton za fotonom iz zelo zatemnjenih virov. Nemogoče je shraniti te zrnate signale na običajne trde diske, ne da bi pri tem izgubili podatke, ki so ključnega pomena za izvajanje interferometrije.

Astronomom je to uspelo z neposrednim povezovanjem bližnjih optičnih teleskopov z optičnimi vlakni - pristop, ki je leta 2019 pripeljal do prvo neposredno opazovanje eksoplaneta. Toda povezovanje teleskopov, oddaljenih približno 1 kilometer, je "izjemno okorno in drago", je dejal Theo ten Brummelaar, direktor polja CHARA, optičnega interferometričnega polja v Kaliforniji. "Če bi obstajal način snemanja fotonskih dogodkov na optični teleskop s kakšno kvantno napravo, bi bilo to veliko dobro za znanost."

Young's Prorezi

Joss Bland-Glog in Janez Bartolomej Univerze v Sydneyju in Matthew Sellars avstralske nacionalne univerze nedavno predlagal shemo za izvajanje optične interferometrije s kvantnimi trdimi diski.

Načelo novega predloga sega v zgodnja 1800. stoletja, pred kvantno revolucijo, ko je Thomas Young je zasnoval poskus da preizkusimo, ali je svetloba sestavljena iz delcev ali valov. Young je skozi dve tesno ločeni reži prehajal svetlobo in na zaslonu zadaj videl vzorec pravilnih svetlih pasov. Ta vzorec motenj se je, kot je trdil, pojavil, ker se svetlobni valovi iz vsake reže izničijo in seštevajo na različnih lokacijah.

Potem so se stvari postale precej bolj čudne. Kvantni fiziki so odkrili, da vzorec interferenc z dvojno režo ostaja, tudi če se fotoni pošljejo proti režam vsak naenkrat; piko za piko na zaslonu postopoma ustvarjajo enake svetlobne in temne pasove. Če pa kdo spremlja, skozi katero režo gre vsak foton, vzorec motenj izgine. Delci so valoviti le, če jih ne motijo.

Zdaj pa si predstavljajte, da imate namesto dveh rež dva teleskopa. Ko en sam foton iz kozmosa prispe na Zemljo, lahko zadene kateri koli teleskop. Dokler tega ne izmerite - tako kot pri Youngovih dvojnih režah - je foton val, ki vstopi v oboje.

Bland-Hawthorn, Bartholomew in Sellars predlagajo, da na vsak teleskop priključite kvantni trdi disk, ki lahko snema in shranjuje valovita stanja dohodnih fotonov, ne da bi jih motil. Čez nekaj časa trde diske prenesete na eno mesto, kjer vmešavate signale in ustvarite neverjetno visoko ločljivo sliko.

Kvantni spomin

Da bi to delovalo, morajo kvantni trdi diski v daljšem časovnem obdobju shraniti veliko informacij. Ena prelomnica se je zgodila leta 2015, ko so Bartholomew, Sellars in sodelavci zasnoval pomnilniško napravo narejen iz jeder evropija, vgrajenega v kristal, ki bi lahko hranil krhka kvantna stanja šest ur, kar bi lahko razširilo na dneve.

Nato je v začetku tega leta ekipa z Univerze za znanost in tehnologijo na Kitajskem v Hefei pokazala, da lahko podatke o fotonih shranite v podobne naprave in jih kasneje preberete.

"Zelo razburljivo in presenetljivo je videti, da so kvantne informacijske tehnike lahko koristne za astronomijo," je dejal Zong-Quan Zhou, ki je bil soavtor programa nedavno objavljeni članek. Zhou opisuje svet, v katerem hitri vlaki ali helikopterji hitro premikajo kvantne trde diske med oddaljenimi teleskopi. Toda ali lahko te naprave delujejo zunaj laboratorijev, bomo še videli.

Bartolomej je prepričan, da je trde diske mogoče zaščititi pred napačnimi električnimi in magnetnimi polji, ki motijo ​​kvantna stanja. Vendar bodo morali tudi vzdržati spremembe tlaka in pospeševanje. In raziskovalci si prizadevajo za oblikovanje trdih diskov, ki lahko shranijo fotone z različnimi valovnimi dolžinami - kar je nujno za zajemanje podob kozmosa.

Vsi ne mislijo, da bo delovalo. "Če bodo dolgoročno te tehnike postale praktične, bodo potrebovale kvantno mrežo," je dejal Mihail Lukin, specialistka za kvantno optiko na univerzi Harvard. Lukin namesto da bi fizično prevažal kvantne trde diske predlagala shemo ki bi se zanašal na kvantni internet - mrežo naprav, imenovanih kvantni repetitorji, ki teleponirajo fotone med lokacijami, ne da bi motili njihovo stanje.

Bartholomew trdi, da "imamo dobre razloge za optimizem" glede kvantnih trdih diskov. "Mislim, da bi v obdobju pet do desetih let lahko videli okvirne eksperimente, ko bi dejansko začeli iskati prave [astronomske] vire." Nasprotno pa je izgradnja kvantnega interneta, je dejal Bland-Hawthorn, "desetletja od resničnosti".

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