Kuantum Çift Yarık Deneyi Dünya Büyüklüğünde Teleskop İçin Umut Veriyor

Başka bir yıldızın yörüngesindeki Dünya benzeri bir gezegenin yüzeyini görebildiğinizi veya bir yıldızın bir kara delik tarafından parçalanmasını izlediğinizi hayal edin.

Bu tür kesin gözlemler şu anda imkansızdır. Ancak bilim adamları, kozmosu akıllara durgunluk veren bir ayrıntı düzeyinde görüntülemek için dünyanın dört bir yanındaki optik teleskopları kuantum mekanik olarak bağlamanın yollarını öneriyorlar.

İşin püf noktası, hassas fotonları teleskoplar arasında taşımaktır, böylece sinyaller birleştirilebilir veya çok daha keskin görüntüler oluşturmak için "müdahale edilebilir". Araştırmacılar var yıllarca bilinen bu tür bir interferometrinin, fütüristik bir ışınlama cihazları ağı ile mümkün olacağına kuantum internet. Ancak kuantum internet uzak bir rüya iken, yeni bir öneri, şu anda geliştirilmekte olan kuantum depolama cihazlarıyla optik girişim ölçümü yapmak için bir plan ortaya koyuyor.

Yaklaşım, astronominin boyut takıntısının bir sonraki aşamasını temsil edecek. Daha geniş aynalar daha keskin görüntüler yaratır, bu nedenle gökbilimciler sürekli olarak daha büyük teleskoplar tasarlar ve kozmosun daha fazla ayrıntısını gözler önüne serer. Bugün, yaklaşık 40 metre genişliğinde, Hubble Uzay Teleskobu'nun genişliğinin (ve dolayısıyla çözünürlüğünün) 16 katı olan bir aynaya sahip bir optik teleskop inşa ediyorlar. Ancak aynaların ne kadar büyüyebileceğinin bir sınırı vardır.

"100 metrelik tek açıklıklı bir teleskop inşa etmeyeceğiz. Delilik bu!" dedim lisa prato, Arizona'daki Lowell Gözlemevi'nde bir gökbilimci. Öyleyse gelecek nedir? Geleceğin interferometresi. "

Dünya Büyüklüğünde Teleskop

Radyo gökbilimcileri on yıllardır interferometri yapıyorlar. bir kara deliğin ilk resmi2019 yılında piyasaya sürülen, dünyanın dört bir yanına dağılmış sekiz radyo teleskopuna gelen sinyalleri senkronize ederek yapıldı. Toplu olarak, teleskoplar, aralarındaki mesafe kadar geniş tek bir aynanın çözme gücüne sahipti - etkili bir Dünya boyutunda bir teleskop.

Resmi yapmak için, her bir teleskopa gelen radyo dalgaları tam olarak zaman damgalı ve kaydedildi ve daha sonra veriler daha sonra birbirine dikildi. Radyo astronomisinde prosedür nispeten kolaydır, çünkü hem radyo yayan nesneler aşırı parlak olma eğilimindedir, hem de radyo dalgaları nispeten büyüktür ve dolayısıyla sıralanmaları kolaydır.

Optik interferometri çok daha zordur. Görünür dalga boyları yüzlerce nanometre uzunluğunu ölçer ve farklı teleskoplara ulaştıkları zamana göre dalgaları hizalarken hataya çok daha az yer bırakır. Dahası, optik teleskoplar çok loş kaynaklardan foton-foton görüntüleri oluşturur. Bu grenli sinyalleri, interferometri yapmak için hayati önem taşıyan bilgileri kaybetmeden normal sabit disklere kaydetmek imkansızdır.

Gökbilimciler, yakındaki optik teleskopları optik fiberlerle doğrudan bağlayarak başardılar - bu yaklaşım 2019'da bir dış gezegenin ilk doğrudan gözlemi. Ancak 1 kilometreden daha uzaktaki teleskopları bağlamak "son derece hantal ve pahalıdır" dedi Theo on Brummelaar, Kaliforniya'daki bir optik interferometrik dizi olan CHARA Array'in direktörü. "Optik bir teleskopta bir tür kuantum cihazı ile foton olaylarını kaydetmenin bir yolu olsaydı, bu bilim için büyük bir nimet olurdu."

Young Slits

Joss Bland-Alıç ve John Bartholomeos Sydney Üniversitesi ve Matthew Sellars Avustralya Ulusal Üniversitesi yakın zamanda bir plan önerdi kuantum sabit sürücülerle optik girişim ölçümü yapmak için.

Yeni önerinin arkasındaki ilke, Thomas Young'ın kuantum devriminden önceki 1800'lerin başlarına kadar uzanıyor. bir deney tasarladı Işığın parçacıklardan mı yoksa dalgalardan mı oluştuğunu test etmek için. Young, iki yakından ayrılmış yarıktan ışık geçirdi ve arkadaki ekranda düzenli parlak bantların bir modelinin oluştuğunu gördü. Bu girişim modelinin, her yarıktan gelen ışık dalgalarının birbirini götürüp farklı yerlerde bir araya gelmesiyle ortaya çıktığını öne sürdü.

Sonra işler daha da tuhaflaştı. Kuantum fizikçileri, fotonlar her seferinde bir tane olmak üzere yarıklara gönderilse bile çift yarık girişim modelinin kaldığını keşfetti; nokta nokta, ekranda kademeli olarak aynı aydınlık ve karanlık şeritleri oluştururlar. Bununla birlikte, herhangi biri her bir fotonun hangi yarıktan geçtiğini izlerse, girişim modeli kaybolur. Parçacıklar, yalnızca rahatsız edilmedikleri zaman dalgalıdır.

Şimdi, iki yarık yerine iki teleskopunuz olduğunu hayal edin. Evrendeki tek bir foton Dünya'ya ulaştığında, her iki teleskopa da çarpabilir. Siz bunu ölçene kadar - Young'ın çift yarıklarında olduğu gibi - foton her ikisine birden giren bir dalgadır.

Bland-Hawthorn, Bartholomew ve Sellars, gelen fotonların dalga benzeri durumlarını onları rahatsız etmeden kaydedip saklayabilen her teleskopa bir kuantum sabit diski takmayı öneriyor. Bir süre sonra, sabit diskleri, inanılmaz derecede yüksek çözünürlüklü bir görüntü oluşturmak için sinyallere müdahale ettiğiniz tek bir konuma taşırsınız.

Kuantum Hafıza

Bunun işe yaraması için, kuantum sabit disklerinin uzun süreler boyunca birçok bilgiyi depolaması gerekir. Bartholomew, Sellars ve meslektaşlarının bir hafıza cihazı tasarladı Kırılgan kuantum durumlarını altı saat boyunca depolayabilen ve bunu günlere uzatma potansiyeli olan bir kristale gömülü öropiyum çekirdeklerinden yapılmıştır.

Ardından, bu yılın başlarında, Hefei'deki Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden bir ekip, foton verilerini benzer cihazlara kaydedebileceğinizi ve daha sonra okuyabileceğinizi gösterdi.

"Kuantum bilgi tekniklerinin astronomi için yararlı olabileceğini görmek çok heyecan verici ve şaşırtıcı" dedi. Zong-Quan Zhou, birlikte yazan son zamanlarda yayınlanan makale. Zhou, yüksek hızlı trenlerin veya helikopterlerin kuantum sabit diskleri birbirinden uzak teleskoplar arasında hızla taşıdığı bir dünyayı anlatıyor. Ancak bu cihazların laboratuvarların dışında çalışıp çalışmayacağı henüz belli değil.

Bartholomew, sabit disklerin kuantum durumlarını bozan hatalı elektrik ve manyetik alanlardan korunabileceğinden emin. Ancak basınç değişikliklerine ve hızlanmaya da dayanmaları gerekecek. Ve araştırmacılar, kozmosun görüntülerini yakalamak için bir gereklilik olan birçok farklı dalga boyuna sahip fotonları depolayabilen sabit diskler tasarlamak için çalışıyorlar.

Herkes işe yarayacağını düşünmüyor. "Uzun vadede, bu teknikler pratik hale gelecekse, bir kuantum ağına ihtiyaç duyacaklar" dedi Mikhail lukinHarvard Üniversitesi'nde kuantum optik uzmanı. Lukin, kuantum sabit diskleri fiziksel olarak taşımak yerine bir plan önerdi bu kuantum internete - kuantum yineleyiciler olarak adlandırılan, fotonları konumlarını bozmadan konumlar arasında ışınlayan bir cihaz ağına dayanıyordu.

Bartholomew, kuantum sabit diskler konusunda “iyimser olmak için iyi nedenlerimiz var” diye karşı çıkıyor. "Bence beş ila 10 yıllık bir zaman diliminde, gerçek [astronomik] kaynaklara gerçekten bakmaya başladığınız geçici deneyler görebilirsiniz." Bland-Hawthorn, bunun aksine bir kuantum internet inşasının "gerçeklikten on yıllar sonra" olduğunu söyledi.

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