Quantum Double-Slit Experiment erbjuder hopp för jordstorlek teleskop

Föreställ dig att kunna se ytan på en jordliknande planet som kretsar kring en annan stjärna, eller att se en stjärna strimlas av ett svart hål.

Sådana exakta observationer är för närvarande omöjliga. Men forskare föreslår sätt att kvantmekaniskt koppla samman optiska teleskop runt om i världen för att se kosmos på en häpnadsväckande detaljnivå.

Tricket är att transportera ömtåliga fotoner mellan teleskop, så att signalerna kan kombineras, eller "störas", för att skapa mycket skarpare bilder. Forskare har känt i åratal att denna typ av interferometri skulle vara möjlig med ett futuristiskt nätverk av teleporteringsenheter som kallas a kvantinternet. Men medan kvantinternet är en fjärran dröm, lägger ett nytt förslag upp ett schema för att göra optisk interferometri med kvantlagringsenheter som är under utveckling nu.

Tillvägagångssättet skulle representera nästa steg av astronomins besatthet av storlek. Bredare speglar skapar skarpare bilder, så astronomer designar ständigt allt större teleskop och ser fler detaljer om kosmos utvecklas. Idag bygger de ett optiskt teleskop med en spegel som är nästan 40 meter bred, 16 gånger bredden (och därmed upplösningen) av rymdteleskopet Hubble. Men det finns en gräns för hur mycket speglar kan växa.

"Vi kommer inte att bygga ett 100-meters teleskop med en öppning. Det är sinnessjukt!" sa Lisa Prato, en astronom vid Lowell Observatory i Arizona. "Så vad är framtiden? Framtidens interferometri.”

Teleskop i jordstorlek

Radioastronomer har gjort interferometri i decennier. De första bilden av ett svart hål någonsin, som släpptes 2019, gjordes genom att synkronisera signaler som anlände till åtta radioteleskop runt om i världen. Tillsammans hade teleskopen upplösningsförmågan hos en enda spegel lika bred som avståndet mellan dem - ett effektivt teleskop i jordstorlek.

För att göra bilden tidsstämplades och lagrades radiovågor som anlände till varje teleskop exakt, och data syddes sedan ihop senare. Proceduren är relativt enkel inom radioastronomi, både för att radiosändande föremål tenderar att vara extremt ljusstarka, och för att radiovågor är relativt stora och därmed lätta att rada upp.

Optisk interferometri är mycket svårare. Synliga våglängder mäter hundratals nanometer långa, vilket ger mycket mindre utrymme för fel när vågorna riktas in efter när de anlände till olika teleskop. Dessutom bygger optiska teleskop bilder foton för foton från mycket svaga källor. Det är omöjligt att spara dessa korniga signaler på vanliga hårddiskar utan att förlora information som är avgörande för att utföra interferometri.

Astronomer har lyckats genom att direkt koppla närliggande optiska teleskop med optiska fibrer – ett tillvägagångssätt som ledde 2019 till första direkta observationen av en exoplanet. Men att ansluta teleskop längre ifrån varandra än 1 kilometer eller så är "extremt otympligt och dyrt", sa Theo ten Brummelaar, chef för CHARA Array, en optisk interferometrisk array i Kalifornien. "Om det fanns ett sätt att spela in fotonhändelser i ett optiskt teleskop med någon form av kvantanordning, skulle det vara en stor välsignelse för vetenskapen."

Youngs slitsar

Joss Bland-Hawthorn och John Bartholomew vid University of Sydney och Matthew Sellars från Australian National University föreslog nyligen ett system för att göra optisk interferometri med kvanthårddiskar.

Principen bakom det nya förslaget går tillbaka till tidigt 1800-tal, före kvantrevolutionen, när Thomas Young skapade ett experiment för att testa om ljus är gjort av partiklar eller vågor. Young passerade ljus genom två tätt åtskilda slitsar och såg ett mönster av vanliga ljusa band bildas på en skärm bakom. Detta interferensmönster, hävdade han, dök upp eftersom ljusvågor från varje slits tar ut och adderas på olika platser.

Sedan blev det mycket konstigare. Kvantfysiker upptäckte att dubbelslitsinterferensmönstret kvarstår även om fotoner skickas mot slitsarna en i taget; prick för prick skapar de gradvis samma band av ljus och mörker på skärmen. Men om någon övervakar vilken slits varje foton går igenom, försvinner interferensmönstret. Partiklar är bara våglika när de inte störs.

Föreställ dig nu att du istället för två slitsar har två teleskop. När en enda foton från kosmos anländer till jorden kan den träffa båda teleskopen. Tills du mäter detta - som med Youngs dubbla slitsar - är fotonen en våg som går in i båda.

Bland-Hawthorn, Bartholomew och Sellars föreslår att man kopplar in en kvanthårddisk vid varje teleskop som kan registrera och lagra de vågliknande tillstånden för inkommande fotoner utan att störa dem. Efter ett tag transporterar du hårddiskarna till en enda plats, där du stör signalerna för att skapa en otroligt högupplöst bild.

Kvantminne

För att få detta att fungera måste kvanthårddiskar lagra massor av information under långa tidsperioder. En vändpunkt kom 2015, då Bartholomew, Sellars och kollegor designat en minnesenhet gjorda av europiumkärnor inbäddade i en kristall som kunde lagra ömtåliga kvanttillstånd i sex timmar, med potential att utöka detta till dagar.

Sedan, tidigare i år, visade ett team från University of Science and Technology of China i Hefei att man kunde spara fotondata i liknande enheter och senare läsa upp den.

"Det är väldigt spännande och överraskande att se att kvantinformationstekniker kan vara användbara för astronomi," sa Zong-Quan Zhou, som var medförfattare till nyligen publicerat papper. Zhou beskriver en värld där höghastighetståg eller helikoptrar snabbt transporterar kvanthårddiskar mellan teleskop som ligger långt från varandra. Men om dessa enheter kan fungera utanför laboratorier återstår att se.

Bartholomew är övertygad om att hårddiskarna kan skyddas från felaktiga elektriska och magnetiska fält som stör kvanttillstånd. Men de måste också tåla tryckförändringar och acceleration. Och forskarna arbetar med att designa hårddiskar som kan lagra fotoner med många olika våglängder - en nödvändighet för att fånga bilder av kosmos.

Alla tror inte att det kommer att fungera. "I det långa loppet, om dessa tekniker ska bli praktiska, kommer de att kräva ett kvantnätverk," sa Mikhail Lukin, en kvantoptikspecialist vid Harvard University. Istället för att fysiskt transportera kvanthårddiskar har Lukin föreslagit ett system som skulle förlita sig på ett kvantinternet - ett nätverk av enheter som kallas kvantrepeaters som teleporterar fotoner mellan platser utan att störa deras tillstånd.

Bartholomew säger att "vi har goda skäl att vara optimistiska" om kvanthårddiskar. "Jag tror att man inom en tidsram av fem till tio år kan se trevande experiment där man faktiskt börjar titta på verkliga [astronomiska] källor." Däremot är konstruktionen av ett kvantinternet, sa Bland-Hawthorn, "årtionden från verkligheten."

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