การทดลองควอนตัม Double-Slit เสนอความหวังสำหรับกล้องโทรทรรศน์ขนาดโลก

ลองนึกภาพว่าสามารถเห็นพื้นผิวของดาวเคราะห์คล้ายโลกที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่น หรือดูดาวดวงหนึ่งถูกทำลายโดยหลุมดำ

การสังเกตที่แม่นยำดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ในปัจจุบัน แต่นักวิทยาศาสตร์กำลังเสนอวิธีในการเชื่อมโยงกล้องดูดาวออปติคอลทั่วโลกโดยใช้กลไกควอนตัม เพื่อที่จะมองเห็นจักรวาลในระดับรายละเอียดที่เหลือเชื่อ

เคล็ดลับคือการขนส่งโฟตอนที่เปราะบางระหว่างกล้องโทรทรรศน์ เพื่อให้สามารถรวมสัญญาณหรือ "รบกวน" เพื่อสร้างภาพที่คมชัดยิ่งขึ้น นักวิจัยมี รู้จักกันมาหลายปี ว่าอินเตอร์เฟอโรเมทรีแบบนี้จะเป็นไปได้ด้วยเครือข่ายอุปกรณ์เทเลพอร์ตแห่งอนาคตที่เรียกว่า a ควอนตัมอินเทอร์เน็ต. แต่ในขณะที่อินเทอร์เน็ตควอนตัมเป็นความฝันที่ห่างไกล ข้อเสนอใหม่ได้วางโครงร่างสำหรับการทำอินเตอร์เฟอโรเมทรีออปติคัลกับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลควอนตัมที่อยู่ระหว่างการพัฒนาในขณะนี้

วิธีการนี้จะแสดงถึงขั้นตอนต่อไปของความหลงใหลในขนาดของดาราศาสตร์ กระจกที่กว้างกว่าจะสร้างภาพที่คมชัดขึ้น ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงออกแบบกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ และเห็นรายละเอียดของจักรวาลมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง วันนี้พวกเขากำลังสร้างกล้องโทรทรรศน์ออปติคัลที่มีกระจกกว้างเกือบ 40 เมตร กว้าง 16 เท่า (และความละเอียดด้วยเหตุนี้) ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แต่มีขีดจำกัดว่ากระจกจะเติบโตได้มากแค่ไหน

“เราจะไม่สร้างกล้องโทรทรรศน์รูรับแสงเดียว 100 เมตร บ้าไปแล้ว!” กล่าวว่า ลิซ่า ปราโตนักดาราศาสตร์จากหอดูดาวโลเวลล์ ในรัฐแอริโซนา “แล้วอนาคตจะเป็นอย่างไร? อินเตอร์เฟอโรเมตรีในอนาคต”

กล้องโทรทรรศน์ขนาดโลก

นักดาราศาสตร์วิทยุได้ทำการวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามาหลายทศวรรษแล้ว NS ภาพแรกของหลุมดำซึ่งเปิดตัวในปี 2019 เกิดจากการซิงโครไนซ์สัญญาณที่มาถึงกล้องโทรทรรศน์วิทยุแปดตัวที่มีจุดกระจายอยู่ทั่วโลก โดยรวมแล้ว กล้องโทรทรรศน์มีกำลังในการแยกรายละเอียดเท่ากับกระจกบานเดียวที่กว้างเท่ากับระยะห่างระหว่างกระจกเหล่านั้น ซึ่งเป็นกล้องดูดาวขนาดเท่าโลกที่มีประสิทธิภาพ

ในการสร้างภาพ คลื่นวิทยุที่มาถึงกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัวจะถูกประทับเวลาและจัดเก็บอย่างแม่นยำ จากนั้นข้อมูลก็ถูกเย็บเข้าด้วยกันในภายหลัง กระบวนการนี้ค่อนข้างง่ายในดาราศาสตร์วิทยุ เนื่องจากวัตถุที่ปล่อยคลื่นวิทยุมีแนวโน้มที่จะสว่างมาก และเนื่องจากคลื่นวิทยุมีขนาดค่อนข้างใหญ่และง่ายต่อการจัดเรียง

การวัดระยะด้วยแสงนั้นยากกว่ามาก ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้จะวัดความยาวหลายร้อยนาโนเมตร ทำให้มีช่องว่างน้อยกว่ามากสำหรับข้อผิดพลาดในการจัดแนวคลื่นตามเมื่อมาถึงกล้องโทรทรรศน์ต่างๆ นอกจากนี้ กล้องโทรทรรศน์ออปติคัลยังสร้างภาพโฟตอนต่อโฟตอนจากแหล่งกำเนิดแสงที่สลัวมาก เป็นไปไม่ได้ที่จะบันทึกสัญญาณที่เป็นเม็ดเล็ก ๆ เหล่านี้ลงในฮาร์ดไดรฟ์ปกติโดยไม่สูญเสียข้อมูลที่สำคัญสำหรับการทำอินเตอร์เฟอโรเมทรี

นักดาราศาสตร์ได้จัดการโดยเชื่อมโยงกล้องโทรทรรศน์ออปติคอลที่อยู่ใกล้เคียงโดยตรงกับเส้นใยแก้วนำแสง ซึ่งเป็นแนวทางที่นำไปสู่ ​​.ในปี 2019 การสังเกตโดยตรงของดาวเคราะห์นอกระบบครั้งแรก. แต่การต่อกล้องโทรทรรศน์ให้ห่างกันมากกว่า 1 กิโลเมตร ถือว่า “แพงและเทอะทะมาก” กล่าว ธีโอ เทน บรูมเมลลาร์ผู้อำนวยการ CHARA Array ซึ่งเป็นออปติคัลอินเตอร์เฟอโรเมตริกในแคลิฟอร์เนีย “หากมีวิธีการบันทึกเหตุการณ์โฟตอนที่ด้วยกล้องโทรทรรศน์ออปติคอลด้วยอุปกรณ์ควอนตัมบางชนิด นั่นจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อวิทยาศาสตร์”

Young's Slits

จอส แบลนด์-ฮอว์ธอร์น และ จอห์นบาร์โธโลมิว ของมหาวิทยาลัยซิดนีย์และ แมทธิว เซลเลอร์ส ของมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย เพิ่งเสนอโครงการ สำหรับการทำอินเตอร์เฟอโรเมทรีออปติคัลกับฮาร์ดไดรฟ์ควอนตัม

หลักการเบื้องหลังข้อเสนอใหม่นี้สืบย้อนไปถึงช่วงต้นทศวรรษ 1800 ก่อนการปฏิวัติควอนตัมเมื่อ Thomas Young ได้คิดค้นการทดลอง เพื่อทดสอบว่าแสงทำมาจากอนุภาคหรือคลื่นหรือไม่ เด็กส่องผ่านช่องผ่าสองช่องที่แยกจากกันอย่างใกล้ชิด และเห็นลวดลายของแถบสว่างปกติก่อตัวขึ้นบนหน้าจอด้านหลัง เขาแย้งว่ารูปแบบการรบกวนนี้ปรากฏขึ้นเนื่องจากคลื่นแสงจากรอยแยกแต่ละช่องตัดกันและรวมกันที่ตำแหน่งต่างกัน

จากนั้นสิ่งต่าง ๆ ก็แปลกประหลาดขึ้นมาก นักฟิสิกส์ควอนตัมพบว่ารูปแบบการรบกวนแบบ double-slit ยังคงอยู่แม้ว่าโฟตอนจะถูกส่งไปยังรอยแยกทีละครั้ง ทีละจุด พวกมันจะค่อยๆ สร้างแถบแสงและความมืดบนหน้าจอแบบเดียวกัน อย่างไรก็ตาม ถ้าใครตรวจสอบที่กรีดแต่ละโฟตอนผ่านไป รูปแบบการรบกวนจะหายไป อนุภาคจะมีลักษณะเป็นคลื่นเมื่อไม่ถูกรบกวนเท่านั้น

ทีนี้ลองนึกภาพว่า แทนที่จะเป็นสองช่อง คุณมีกล้องโทรทรรศน์สองตัว เมื่อโฟตอนเดียวจากจักรวาลมาถึงพื้นโลก โฟตอนก็สามารถชนกับกล้องโทรทรรศน์ทั้งสองตัวได้ จนกว่าคุณจะวัดสิ่งนี้ - เช่นเดียวกับรอยแยกของ Young - โฟตอนเป็นคลื่นที่เข้าสู่ทั้งสอง

Bland-Hawthorn, Bartholomew และ Sellars แนะนำให้เสียบฮาร์ดไดรฟ์ควอนตัมที่กล้องโทรทรรศน์แต่ละตัว ซึ่งสามารถบันทึกและจัดเก็บสถานะคล้ายคลื่นของโฟตอนที่เข้ามาโดยไม่รบกวนพวกมัน หลังจากนั้นไม่นาน คุณจะขนส่งฮาร์ดไดรฟ์ไปยังตำแหน่งเดียว ซึ่งคุณจะรบกวนสัญญาณเพื่อสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงอย่างเหลือเชื่อ

หน่วยความจำควอนตัม

เพื่อให้ใช้งานได้ ฮาร์ดไดรฟ์ควอนตัมต้องจัดเก็บข้อมูลจำนวนมากในระยะเวลานาน จุดเปลี่ยนจุดหนึ่งเกิดขึ้นในปี 2015 เมื่อ Bartholomew, Sellars และเพื่อนร่วมงาน ออกแบบอุปกรณ์หน่วยความจำ ทำจากนิวเคลียสของยูโรเพียมที่ฝังอยู่ในคริสตัลที่สามารถกักเก็บสถานะควอนตัมที่เปราะบางไว้ได้เป็นเวลาหกชั่วโมง และมีศักยภาพที่จะขยายระยะเวลานี้ให้เป็นวัน

เมื่อต้นปีนี้ ทีมงานจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนในเหอเฟย แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถบันทึกข้อมูลโฟตอนลงในอุปกรณ์ที่คล้ายคลึงกันและอ่านในภายหลัง

“เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นและน่าประหลาดใจมากที่เห็นว่าเทคนิคข้อมูลควอนตัมสามารถเป็นประโยชน์สำหรับดาราศาสตร์ได้” . กล่าว ซง-กวนโจวที่ร่วมเขียน กระดาษที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้. โจวบรรยายถึงโลกที่รถไฟความเร็วสูงหรือเฮลิคอปเตอร์ส่งฮาร์ดไดรฟ์ควอนตัมระหว่างกล้องโทรทรรศน์ที่อยู่ห่างไกลออกไปอย่างรวดเร็ว แต่อุปกรณ์เหล่านี้สามารถทำงานนอกห้องปฏิบัติการได้หรือไม่นั้นต้องคอยดูกันต่อไป

บาร์โธโลมิวมั่นใจว่าฮาร์ดไดรฟ์สามารถป้องกันจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่ผิดพลาดซึ่งรบกวนสถานะควอนตัม แต่พวกเขายังต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงของแรงดันและการเร่งความเร็ว และนักวิจัยกำลังทำงานเพื่อออกแบบฮาร์ดไดรฟ์ที่สามารถเก็บโฟตอนด้วยความยาวคลื่นต่างๆ มากมาย ซึ่งจำเป็นสำหรับการถ่ายภาพจักรวาล

ไม่ใช่ทุกคนที่คิดว่ามันจะได้ผล “ในระยะยาว หากเทคนิคเหล่านี้สามารถนำไปใช้ได้จริง พวกเขาจะต้องใช้เครือข่ายควอนตัม” . กล่าว มิคาอิลลูคินผู้เชี่ยวชาญด้านควอนตัมออปติกที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด แทนที่จะขนส่งฮาร์ดไดรฟ์ควอนตัมทางกายภาพ Lukin มี เสนอโครงการ ที่จะอาศัยอินเทอร์เน็ตควอนตัม - เครือข่ายของอุปกรณ์ที่เรียกว่าควอนตัมทวนสัญญาณที่ส่งโฟตอนระหว่างสถานที่ต่างๆโดยไม่รบกวนสถานะของพวกเขา

บาร์โธโลมิวโต้แย้งว่า "เรามีเหตุผลที่ดีที่จะมองโลกในแง่ดี" เกี่ยวกับฮาร์ดไดรฟ์ควอนตัม “ฉันคิดว่าในกรอบเวลา 10-XNUMX ปี คุณสามารถเห็นการทดลองเบื้องต้น ซึ่งคุณเริ่มมองหาแหล่งข้อมูล [ทางดาราศาสตร์] ที่แท้จริง” ในทางตรงกันข้าม การสร้างอินเทอร์เน็ตควอนตัม Bland-Hawthorn กล่าวว่า "ทศวรรษจากความเป็นจริง"

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