Квантовий двощілинний експеримент дає надію на телескоп земного розміру

Уявіть собі, що ви бачите поверхню земної планети, що обертається навколо іншої зірки, або спостерігаєте, як зірку розриває чорна діра.

Такі точні спостереження наразі неможливі. Але вчені пропонують способи квантово-механічного з’єднання оптичних телескопів по всьому світу, щоб спостерігати космос із приголомшливою деталізацією.

Хитрість полягає в тому, щоб транспортувати тендітні фотони між телескопами, щоб сигнали могли комбінуватися або «перешкоджати» для створення набагато чіткіших зображень. Дослідники мають відомий роками що такий вид інтерферометрії був би можливий за допомогою футуристичної мережі телепортаційних пристроїв під назвою a квантовий Інтернет. Але в той час як квантовий Інтернет є далекою мрією, нова пропозиція викладає схему для проведення оптичної інтерферометрії за допомогою квантових пристроїв зберігання даних, які зараз розробляються.

Цей підхід стане наступним етапом одержимості астрономії розміром. Ширші дзеркала створюють чіткіші зображення, тому астрономи постійно проектують все більші телескопи й бачать все більше деталей космосу. Сьогодні вони будують оптичний телескоп із дзеркалом шириною майже 40 метрів, що в 16 разів перевищує ширину (і, отже, роздільну здатність) космічного телескопа Хаббла. Але є межа того, скільки дзеркала можуть рости.

«Ми не збираємося будувати 100-метровий телескоп з однією апертурою. Це божевілля!» сказав Ліза Прато, астроном обсерваторії Лоуелл в Арізоні. «То яке майбутнє? Інтерферометрія майбутнього».

Телескоп земного розміру

Радіоастрономи десятиліттями займаються інтерферометрією. The перша в історії картина чорної діри, випущений у 2019 році, був створений шляхом синхронізації сигналів, які надійшли на вісім радіотелескопів, розкиданих по всьому світу. У сукупності телескопи мали роздільну здатність одного дзеркала, ширина якого дорівнювала відстані між ними, — фактично телескоп розміром із Землю.

Щоб зробити зображення, радіохвилі, що надходять до кожного телескопа, були точно позначені часом і збережені, а потім дані були зшиті разом. Процедура відносно проста в радіоастрономії, тому що об’єкти, що випромінюють радіо, мають тенденцію бути надзвичайно яскравими, а також тому, що радіохвилі є відносно великими, тому їх легко вибудувати.

Оптична інтерферометрія набагато складніша. Видимі довжини хвиль сягають сотень нанометрів, залишаючи набагато менше можливостей для помилок у вирівнюванні хвиль відповідно до того, коли вони надходять на різні телескопи. Крім того, оптичні телескопи створюють фотон за фотоном зображення з дуже тьмяних джерел. Неможливо зберегти ці зернисті сигнали на звичайних жорстких дисках без втрати інформації, яка є життєво важливою для виконання інтерферометрії.

Астрономам вдалося напряму з’єднати сусідні оптичні телескопи з оптичними волокнами — підхід, який у 2019 році призвів до перше пряме спостереження екзопланети. Але підключення телескопів на відстані більше 1 кілометра є «надзвичайно громіздким і дорогим». Тео тен Бруммелар, директор CHARA Array, оптичної інтерферометричної матриці в Каліфорнії. «Якби існував спосіб запису фотонних подій на оптичний телескоп за допомогою якогось квантового пристрою, це було б великим благом для науки».

Щілини Янга

Джосс Бленд-Глід та Джон Варфоломій Сіднейського університету та Меттью Селлерс Австралійського національного університету нещодавно запропонував схему для проведення оптичної інтерферометрії з квантовими жорсткими дисками.

Принцип нової пропозиції сягає початку 1800-х років, до квантової революції, коли Томас Янг придумав експеримент перевірити, чи світло складається з частинок чи хвиль. Янг пропустив світло через дві близько розташовані щілини і побачив, як на екрані позаду утворився візерунок з правильних яскравих смуг. Він стверджував, що ця інтерференційна картина з’явилася тому, що світлові хвилі від кожної щілини гасять і складаються в різних місцях.

Потім все стало набагато дивніше. Квантові фізики виявили, що подвійна інтерференційна картина зберігається, навіть якщо фотони направляються до щілин по одному; крапка за крапкою вони поступово створюють на екрані однакові смуги світла й темряви. Однак якщо хтось стежить, через яку щілину проходить кожен фотон, інтерференційна картина зникає. Частинки мають хвилеподібну форму лише тоді, коли вони не порушені.

А тепер уявіть, що замість двох щілин у вас є два телескопи. Коли єдиний фотон з космосу прибуває на Землю, він може вразити будь-який телескоп. Поки ви не виміряєте це — як у випадку з подвійними щілинами Янга — фотон є хвилею, яка входить в обидва.

Бленд-Готорн, Бартоломью та Селларс пропонують підключати квантовий жорсткий диск до кожного телескопа, який може записувати та зберігати хвилеподібні стани вхідних фотонів, не заважаючи їм. Через деякий час ви транспортуєте жорсткі диски в одне місце, де перешкоджаєте сигналам, щоб створити зображення неймовірно високої роздільної здатності.

Квантова пам'ять

Щоб це працювало, квантові жорсткі диски повинні зберігати багато інформації протягом тривалих періодів часу. Один поворотний момент стався в 2015 році, коли Бартоломью, Селларс і колеги створив запам'ятовуючий пристрій виготовлені з ядер європію, вбудованих у кристал, який міг зберігати крихкі квантові стани протягом шести годин, з потенціалом продовжити це до днів.

Потім, на початку цього року, команда з Університету науки і технологій Китаю в Хефеї продемонструвала, що ви можете зберігати фотонні дані в подібних пристроях, а потім зчитувати їх.

«Дуже захоплююче та дивно бачити, що методи квантової інформації можуть бути корисними для астрономії», – сказав Цзун-Цюань Чжоу, який є співавтором нещодавно опублікована стаття. Чжоу описує світ, у якому швидкісні потяги чи гелікоптери швидко переміщують квантові жорсткі диски між віддаленими телескопами. Але чи можуть ці пристрої працювати поза лабораторіями, ще належить побачити.

Бартолом’ю впевнений, що жорсткі диски можна захистити від випадкових електричних і магнітних полів, які порушують квантові стани. Але їм також доведеться витримувати зміни тиску та прискорення. Крім того, дослідники працюють над розробкою жорстких дисків, які можуть зберігати фотони з різними довжинами хвиль — це необхідно для зйомки зображень космосу.

Не всі думають, що це спрацює. «У довгостроковій перспективі, якщо ці методи стануть практичними, для них знадобиться квантова мережа», — сказав Михайло Лукін, фахівець з квантової оптики Гарвардського університету. Замість того, щоб фізично транспортувати квантові жорсткі диски, Лукін це зробив запропонував схему який покладався б на квантовий Інтернет — мережу пристроїв, які називаються квантовими повторювачами, які телепортують фотони між місцями, не порушуючи їхні стани.

Бартолом’ю заперечує, що «у нас є вагомі причини для оптимізму» щодо квантових жорстких дисків. «Я думаю, що протягом п’яти-десяти років ви можете побачити попередні експерименти, коли ви фактично почнете дивитися на реальні [астрономічні] джерела». Навпаки, побудова квантового Інтернету, сказав Бленд-Глід, «за десятиліття від реальності».

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