A távcsövek hosszú utat tettek az elmúlt néhány évszázadban. A csillagászok, például Galileo Galilei és Johannes Kepler által épített, viszonylag szerény eszközökből a távcsövek hatalmas műszerekké fejlődtek, amelyek teljes berendezésükhöz és teljes személyzethez és számítógépes hálózathoz igényelnek őket. És az elkövetkező években sokkal nagyobb obszervatóriumok épülnek, amelyek még többet tudnak tenni.
Sajnos a nagyobb és nagyobb eszközök felé mutató tendenciának számos hátránya van. A kezdők számára az egyre nagyobb obszervatóriumok vagy egyre nagyobb tükröket, vagy sok együtt működő távcsövet igényelnek - ezek mindegyike drága kilátások. Szerencsére az MIT egyik csoportja javasolta az interferometria és a kvantum-teleportálás kombinálását, amely jelentősen megnövelheti a tömbök felbontását anélkül, hogy nagyobb tükrökre támaszkodna.
Egyszerűen fogalmazva: az interferometria olyan folyamat, amelyben több kisebb távcső segítségével fényt nyernek, majd egyesítik, hogy rekonstruálják a megfigyelt képek képeit. Ezt a folyamatot olyan létesítmények használják, mint a chilei Nagyon Nagy Teleszkópos Interferométer (VLTI) és Kaliforniában a Magas-szögű felbontású csillagászat központja (CHARA).
Az előbbi négy 8,2 m (27 láb) fő tükrön és négy mozgatható 1,8 m (5,9 láb) kiegészítő távcsőn támaszkodik - ami egy 140 m (460 láb) tükörnek megfelelő felbontást ad -, míg az utóbbi hat egy méteren alapszik. teleszkóp, amely egy 330 m-es tükörnek megfelelő felbontást ad neki. Röviden: az interferometria lehetővé teszi a távcsövek tömbjeinek nagyobb felbontású képeket készíteni, mint az egyébként lehetséges.
Az egyik hátránya, hogy a fotonok elkerülhetetlenül elvesznek az átviteli folyamat során. Ennek eredményeként olyan tömbök, mint a VLTI és a CHARA, csak a fényes csillagok megtekintésére használhatók, és ennek kompenzálására nagyobb tömbök építése ismét felveti a költségek kérdését. Mint Johannes Borregaard - a koppenhágai egyetem Kvantumelmélet Matematikai Központjának (QMATH) posztdoktori ösztöndíja, és az irodalomban dolgozó társszerző - e-mailben mondta a Space Magazine-nak:
„A csillagászati képalkotás egyik kihívása a jó felbontás elérése. A felbontás azt jelzi, hogy a képeket milyen kicsi képesek képezni, és végső soron az összegyűjtött fény hullámhosszának és a készülék méretének (Rayleigh-határ) közötti arány határozza meg. A távcső tömbök egy óriás készülékként működnek, és minél nagyobb a tömb, annál jobb felbontást kap.
De természetesen ez nagyon magas költségekkel jár. Például a rendkívül nagy távcső, amelyet jelenleg a chilei Atacama sivatagban építenek, lesz a világ legnagyobb optikai és közeli infravörös távcsője. Amikor az első javaslatot tették 2012-ben, az ESO jelezte, hogy a projekt a 2012-es árakon alapuló körülbelül 1 milliárd euróra (1,12 milliárd dollárra) kerülne. Az inflációval kiigazítva ez 2018-ban 1,23 milliárd dollárra esik, és 2024-ig kb. 1,47 milliárd dollárra (feltételezve 3% -os inflációs rátát), amikor az építés várhatóan befejeződik.
"Ráadásul a csillagászati források gyakran nem túl fényesek az optikai üzemmódban" - tette hozzá Borregaard. „Noha számos klasszikus stabilizációs technika létezik az előbbi megoldására, az utóbbi alapvető problémát jelent a távcső-tömbök normál működése szempontjából. A szokásos módszer, amellyel a fény helyileg rögzíthető az egyes távcsöveknél, túl sok a zaj ahhoz, hogy gyenge fényforrások esetén működjön. Ennek eredményeként az összes jelenlegi optikai távcső tömb úgy működik, hogy a különböző távcsövekből származó fényt közvetlenül egy mérőállomáson ötvözi. A fizetendő ár a mérőállomásra jutó fény csillapítása. Ez a veszteség súlyos korlátozást jelent a nagyon nagy távcsövek tömbjeinek optikai üzemmódban történő felépítésében (a jelenlegi optikai tömbök mérete legfeljebb ~ 300 m), és végül korlátozza a felbontást, ha a hatékony stabilizációs technikák rendelkezésre állnak. ”
Ennek érdekében a Harvard-csapat - Emil Khabiboulline, a Harvard Fizikai Tanszékének végzős hallgatója által vezetett - javasolja a kvantum-teleportációt. A kvantumfizikában a teleportálás azt a folyamatot írja le, amelynek során a részecskék tulajdonságai kvantum-összekapcsolódással továbbadódnak az egyik helyről a másikra. Ez, amint a Borregard kifejti, lehetővé tenné a képek létrehozását a normál interferométerekkel járó veszteségek nélkül:
„Az egyik legfontosabb megfigyelés az, hogy a kvantummechanika tulajdonságai közé tartozik: a kvantum-teleportációnak nevezett folyamatban kvantumállapotot küldünk egyik helyről a másikra fizikai átvitel nélkül. Itt a távcsövekből származó fény „teleportálható” a mérőállomásra, ezáltal megkerülve az átviteli veszteségeket. Ez a technika elvileg tetszőleges méretű tömböket tesz lehetővé, ha más kihívásokra, például stabilizációra is sor kerül. ”
Ha kvantumsegítő távcsöveket használunk, az az ötlet lenne, hogy állandó összefonódott párokat teremtsenek. Míg az egyik párosított részecske a távcsőnél tartózkodna, a másik a központi interferométer felé tart. Amikor egy foton egy távoli csillagból érkezik, akkor kölcsönhatásba lép ennek a párnak az egyikével, és egy kép elkészítéséhez azonnal teleportálódik az interferométerre.
E módszer alkalmazásával képeket lehet létrehozni a normál interferométerekkel tapasztalt veszteségekkel. Az ötletet először 2011-ben javasolták Gottesman, Jennewein és Croke a Waterloói Egyetemen. Abban az időben ők és más kutatók megértették, hogy a koncepciónak minden egyes bejövő fotonhoz egy összefonódott párt kell létrehoznia, amely másodpercenként billió pár nagyságrendű.
Ez egyszerűen nem volt lehetséges az akkori technológiával; de a kvantumszámítás és tárolás legújabb fejleményeinek köszönhetően ez most lehetséges. Amint Borregaard jelezte:
„[W]Vázolja, hogyan lehet a fényt kisméretű kvantumemlékekké tömöríteni, amelyek megőrzik a kvantuminformációkat. Az ilyen kvantumemlékek atomokból állhatnak, amelyek kölcsönhatásba lépnek a fénytel. A fényimpulzus kvantumállapotának atomba történő átvitelének technikáit már számos alkalommal megmutatták a kísérletekben. A memóriába történő tömörítés eredményeként szignifikánsan kevesebb összefonódott párot használunk, összehasonlítva a memória nélküli sémákkal, mint például a Gottesman és mtsai. Például egy 10-es nagyságú csillaghoz és 10 GHz-es mérési sávszélességhez sémánk megköveteli ~ 200 kHz-es beolvadási sebességet egy 20-bites memória felhasználásával, az előző 10 GHz helyett. Az ilyen előírások a jelenlegi technológiával megvalósíthatók, és a halványabb csillagok még ennél is nagyobb megtakarítást eredményeznek, csak kissé nagyobb memóriákkal. ”
Ez a módszer teljesen új lehetőségeket eredményezhet a csillagászati képalkotás területén. Egyrészt drasztikusan növeli a képek felbontását, és valószínűleg lehetővé teszi a tömbök számára a 30 km-es tükör felbontásával egyenértékű felbontás elérését. Ezenkívül lehetővé tenné, hogy a csillagászok a közvetlen képalkotó módszerrel detektálhassák és tanulmányozzák az exoplanetokat, miközben a felbontás a mikro-arsecond szintre esik.
"A jelenlegi rekord körülbelül milliárd másodperc körül van" - mondta Borregaard. "A felbontás ilyen növekedése lehetővé teszi a csillagászok számára számos új csillagászati határ elérését, kezdve a bolygórendszer jellemzőinek meghatározásától a cefeidek tanulmányozásáig és az egymással kölcsönhatásba lépő binárisokig ... A csillagászati távcsövek tervezői számára érdekes sémánk alkalmas lenne az űrben történő megvalósításra, ahol a stabilizáció kevésbé jelent problémát. Valójában egy 10 ^ 4 kilométeres űrbázisú optikai távcső nagyon hatékony. ”
Az elkövetkező évtizedekben számos következő generációs űr- és földi obszervatóriumot terveznek építeni vagy telepíteni. Ezeknek az eszközöknek már várhatóan jelentősen megnövekedett felbontása és képességei lesznek. Kvantum-asszociált technológia hozzáadásával ezek az obszervatóriumok még a sötét anyag és a sötét energia rejtélyeit is meg tudják oldani, és elképesztő részletességgel tanulmányozhatják a Napen kívüli bolygót.
A csoport tanulmánya, a „Quantum-Assisted Telescope Arrays” nemrégiben megjelent az interneten. Khabiboulline és Borregaard mellett a tanulmányt Kristiaan De Greve (egy harvardi posztdoktori ösztöndíj) és Mihail Lukin - a harvardi fizikaprofesszor és a Lukin-csoport vezetője a Harvard Quantum Optika Laboratóriumában készítette.
