Thí nghiệm hai khe lượng tử mang lại hy vọng cho Kính viễn vọng kích thước Trái đất

Hãy tưởng tượng bạn có thể nhìn thấy bề mặt của một hành tinh giống Trái đất quay quanh một ngôi sao khác, hoặc xem một ngôi sao bị xé nhỏ bởi một lỗ đen.

Những quan sát chính xác như vậy hiện là không thể. Nhưng các nhà khoa học đang đề xuất các cách liên kết cơ học lượng tử với các kính thiên văn quang học trên khắp thế giới để quan sát vũ trụ ở mức độ chi tiết đáng kinh ngạc.

Bí quyết là vận chuyển các photon mỏng manh giữa các kính thiên văn, để các tín hiệu có thể được kết hợp, hoặc "giao thoa", để tạo ra những hình ảnh sắc nét hơn rất nhiều. Các nhà nghiên cứu có được biết đến trong nhiều năm rằng loại giao thoa này sẽ có thể thực hiện được với một mạng lưới thiết bị dịch chuyển tức thời trong tương lai được gọi là internet lượng tử. Nhưng trong khi Internet lượng tử là một giấc mơ xa vời, một đề xuất mới đưa ra một kế hoạch thực hiện phép đo giao thoa quang học với các thiết bị lưu trữ lượng tử hiện đang được phát triển.

Cách tiếp cận sẽ đại diện cho giai đoạn tiếp theo của nỗi ám ảnh về kích thước của thiên văn học. Gương rộng hơn tạo ra hình ảnh sắc nét hơn, vì vậy các nhà thiên văn học liên tục thiết kế kính thiên văn ngày càng lớn hơn và nhìn thấy nhiều chi tiết hơn của vũ trụ mở ra. Ngày nay, họ đang chế tạo một kính thiên văn quang học với một gương rộng gần 40 mét, gấp 16 lần chiều rộng (và do đó độ phân giải) của Kính viễn vọng Không gian Hubble. Nhưng có một giới hạn về số lượng gương có thể phát triển.

“Chúng tôi sẽ không chế tạo một kính thiên văn khẩu độ đơn 100 mét. Thật là điên rồ! ” nói Lisa Prato, một nhà thiên văn học tại Đài quan sát Lowell ở Arizona. “Vậy tương lai là gì? Phép đo giao thoa của tương lai. ”

Kính viễn vọng Kích thước Trái đất

Các nhà thiên văn vô tuyến đã thực hiện phép đo giao thoa trong nhiều thập kỷ. Các hình ảnh đầu tiên về một lỗ đen, được phát hành vào năm 2019, được thực hiện bằng cách đồng bộ hóa các tín hiệu đến tám kính thiên văn vô tuyến rải rác trên khắp thế giới. Nói chung, các kính thiên văn có khả năng phân giải của một gương duy nhất rộng bằng khoảng cách giữa chúng - một kính thiên văn có kích thước hiệu quả bằng Trái đất.

Để tạo ra bức ảnh, các sóng vô tuyến đến mỗi kính thiên văn đã được đánh dấu thời gian và lưu trữ chính xác, và dữ liệu sau đó được ghép lại với nhau sau này. Quy trình này tương đối dễ dàng trong thiên văn học vô tuyến, cả vì các vật thể phát ra sóng vô tuyến có xu hướng cực sáng, và vì sóng vô tuyến tương đối lớn và do đó dễ xếp thành hàng.

Phép đo giao thoa quang học khó hơn nhiều. Các bước sóng nhìn thấy được đo dài hàng trăm nanomet, giúp ít có sai sót trong việc sắp xếp các sóng tùy theo thời điểm chúng đến các kính thiên văn khác nhau. Hơn nữa, kính thiên văn quang học xây dựng hình ảnh từng photon từ các nguồn rất mờ. Không thể lưu các tín hiệu nhiễu hạt này vào ổ cứng thông thường mà không làm mất thông tin quan trọng để thực hiện phép đo giao thoa.

Các nhà thiên văn học đã quản lý bằng cách liên kết trực tiếp các kính thiên văn quang học gần đó với các sợi quang học - một cách tiếp cận đã dẫn đến lần đầu tiên quan sát trực tiếp một ngoại hành tinh. Nhưng việc kết nối các kính thiên văn cách xa nhau hơn 1 km hoặc hơn là "cực kỳ khó sử dụng và tốn kém", nói Theo ten Brummelaar, giám đốc của CHARA Array, một mảng giao thoa kế quang học ở California. “Nếu có một cách ghi lại các sự kiện photon tại một kính thiên văn quang học với một số loại thiết bị lượng tử, thì đó sẽ là một lợi ích lớn cho khoa học.”

Young's Slits

Joss Bland-Hawthorn và John Bartholomew của Đại học Sydney và Matthew Sellars của Đại học Quốc gia Úc gần đây đã đề xuất một kế hoạch để thực hiện phép đo giao thoa quang học với ổ cứng lượng tử.

Nguyên tắc đằng sau đề xuất mới bắt nguồn từ đầu những năm 1800, trước cuộc cách mạng lượng tử, khi Thomas Young nghĩ ra một thử nghiệm để kiểm tra xem ánh sáng được tạo bởi các hạt hay sóng. Young truyền ánh sáng qua hai khe cách nhau gần nhau và thấy hình thành một dải sáng đều trên một màn chắn phía sau. Ông lập luận rằng hình giao thoa này xuất hiện vì sóng ánh sáng từ mỗi khe triệt tiêu và cộng lại với nhau tại các vị trí khác nhau.

Sau đó, mọi thứ trở nên kỳ lạ hơn rất nhiều. Các nhà vật lý lượng tử đã khám phá ra rằng hình thái giao thoa khe kép vẫn tồn tại ngay cả khi các photon được gửi về phía các khe một lần; từng chấm, chúng dần dần tạo ra những dải sáng tối giống nhau trên màn hình. Tuy nhiên, nếu ai đó theo dõi khe nào mà mỗi photon đi qua, thì hình ảnh giao thoa sẽ biến mất. Các hạt chỉ dao động khi không bị xáo trộn.

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng, thay vì hai khe, bạn có hai kính thiên văn. Khi một photon từ vũ trụ đến Trái đất, nó có thể va vào một trong hai kính thiên văn. Cho đến khi bạn đo được điều này - cũng như với khe đôi của Young - photon là một sóng đi vào cả hai.

Bland-Hawthorn, Bartholomew và Sellars đề xuất cắm một ổ cứng lượng tử ở mỗi kính thiên văn để có thể ghi lại và lưu trữ trạng thái sóng của các photon tới mà không làm ảnh hưởng đến chúng. Sau một thời gian, bạn vận chuyển ổ cứng đến một vị trí duy nhất, nơi bạn can thiệp vào các tín hiệu để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cực cao.

Bộ nhớ lượng tử

Để thực hiện điều này, ổ cứng lượng tử phải lưu trữ nhiều thông tin trong thời gian dài. Một bước ngoặt đến vào năm 2015, khi Bartholomew, Sellars và các đồng nghiệp thiết kế một thiết bị nhớ được làm từ các hạt nhân europium nhúng trong một tinh thể có thể lưu trữ các trạng thái lượng tử mỏng manh trong sáu giờ, với khả năng kéo dài điều này đến hàng ngày.

Sau đó, vào đầu năm nay, một nhóm từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc ở Hợp Phì đã chứng minh rằng bạn có thể lưu dữ liệu photon vào các thiết bị tương tự và sau đó đọc nó ra.

“Thật thú vị và ngạc nhiên khi thấy rằng các kỹ thuật thông tin lượng tử có thể hữu ích cho thiên văn học,” Tông Quan Chu, người đồng tác giả giấy được xuất bản gần đây. Zhou mô tả một thế giới trong đó tàu cao tốc hoặc máy bay trực thăng nhanh chóng chuyển các ổ cứng lượng tử giữa các kính viễn vọng cách xa nhau. Nhưng liệu những thiết bị này có thể hoạt động bên ngoài các phòng thí nghiệm hay không vẫn còn phải xem.

Bartholomew tự tin rằng ổ cứng có thể được bảo vệ khỏi các trường điện và từ trường sai lệch làm phá vỡ trạng thái lượng tử. Nhưng họ cũng sẽ phải chịu được sự thay đổi áp suất và gia tốc. Và các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu để thiết kế ổ cứng có thể lưu trữ các photon với nhiều bước sóng khác nhau - một điều cần thiết để chụp ảnh vũ trụ.

Không phải ai cũng nghĩ rằng nó sẽ hoạt động. “Về lâu dài, nếu những kỹ thuật này trở thành thực tế, chúng sẽ yêu cầu một mạng lượng tử,” Mikhail lukin, một chuyên gia quang học lượng tử tại Đại học Harvard. Thay vì vận chuyển vật lý các ổ cứng lượng tử, Lukin có đề xuất một kế hoạch điều đó sẽ dựa vào internet lượng tử - một mạng lưới các thiết bị được gọi là bộ lặp lượng tử có chức năng dịch chuyển các photon giữa các vị trí mà không làm ảnh hưởng đến trạng thái của chúng.

Bartholomew phản bác rằng “chúng ta có lý do chính đáng để lạc quan” về ổ cứng lượng tử. “Tôi nghĩ trong khoảng thời gian từ 10 đến XNUMX năm, bạn có thể thấy các thí nghiệm dự kiến, nơi bạn thực sự bắt đầu xem xét các nguồn [thiên văn] thực.” Ngược lại, việc xây dựng một internet lượng tử, Bland-Hawthorn nói, là "nhiều thập kỷ so với thực tế."

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