Телескопы прошли долгий путь за последние несколько веков. Из сравнительно скромных устройств, созданных такими астрономами, как Галилео Галилей и Йоханнес Кеплер, телескопы превратились в массивные инструменты, которые требуют целого оборудования для их размещения и полной команды и сети компьютеров для их работы. И в ближайшие годы будут построены гораздо большие обсерватории, которые могут сделать еще больше.
К сожалению, эта тенденция к более крупным инструментам имеет много недостатков. Для начала, все большие и большие обсерватории требуют либо больших зеркал, либо множества телескопов, работающих вместе - и то, и другое - дорогостоящие перспективы. К счастью, команда из MIT предложила объединить интерферометрию с квантовой телепортацией, которая могла бы значительно увеличить разрешение массивов, не полагаясь на большие зеркала.
Проще говоря, интерферометрия - это процесс, в котором свет получается несколькими меньшими телескопами, а затем объединяется для восстановления изображений того, что они наблюдали. Этот процесс используется такими учреждениями, как интерферометр очень большого телескопа (VLTI) в Чили и Центр астрономии с высоким угловым разрешением (CHARA) в Калифорнии.
Первый опирается на четыре основных зеркала длиной 8,2 м (27 футов) и четыре подвижных вспомогательных телескопа длиной 1,8 м (5,9 фута), что дает ему разрешение, эквивалентное зеркалу 140 м (460 футов), в то время как второе опирается на шесть однометровых телескоп, который дает разрешение, эквивалентное зеркалу 330 м (1083 фута). Короче говоря, интерферометрия позволяет массивам телескопов получать изображения с более высоким разрешением, чем это было бы возможно в противном случае.
Одним из недостатков является то, что фотоны неизбежно теряются в процессе передачи. В результате массивы, такие как VLTI и CHARA, могут использоваться только для просмотра ярких звезд, и создание более крупных массивов для компенсации этого еще раз поднимает проблему затрат. Как Йоханнес Боррегаард, научный сотрудник Центра математической квантовой теории (QMATH) Копенгагенского университета и соавтор статьи, рассказал Space Magazine по электронной почте:
«Одна из задач астрономического изображения - получить хорошее разрешение. Разрешение является мерой того, насколько малы характеристики, которые вы можете изобразить, и в конечном итоге оно определяется отношением между длиной волны света, который вы собираете, и размером вашего устройства (предел Рэлея). Матрицы телескопов функционируют как один гигантский аппарат, и чем больше размер массива, тем лучше разрешение ».
Но, конечно же, это обходится очень дорого. Например, чрезвычайно большой телескоп, который в настоящее время строится в пустыне Атакама в Чили, станет крупнейшим оптическим и ближним инфракрасным телескопом в мире. При первом предложении в 2012 году ESO указало, что стоимость проекта составит около 1 миллиарда евро (1,12 миллиарда долларов США) по ценам 2012 года. С учетом инфляции это составит 1,23 млрд долларов в 2018 году и примерно 1,47 млрд долларов (при условии, что уровень инфляции составит 3%) к 2024 году, когда планируется завершение строительства.
«Кроме того, астрономические источники часто не очень яркие в оптическом режиме», добавил Боррегор. «Несмотря на то, что существует ряд классических методов стабилизации для решения первых, последние создают фундаментальную проблему для того, как обычно работают телескопические решетки. Стандартная техника локальной регистрации света на каждом телескопе приводит к слишком большому шуму, чтобы работать на слабых источниках света. В результате все современные оптические телескопические матрицы работают, комбинируя свет от разных телескопов непосредственно на одной измерительной станции. Цена, которую нужно заплатить, - это ослабление света при передаче на измерительную станцию. Эта потеря является серьезным ограничением для построения очень больших массивов телескопов в оптическом режиме (современные оптические массивы имеют размеры макс. ~ 300 м) и в конечном итоге ограничит разрешение, когда будут внедрены эффективные методы стабилизации ».
В связи с этим Гарвардская команда во главе с Эмилем Хабибуллином, аспирантом физического факультета Гарварда, предлагает полагаться на квантовую телепортацию. В квантовой физике телепортация описывает процесс, в котором свойства частиц переносятся из одного места в другое посредством квантовой запутанности. Это, как объясняет Боррегард, позволит создавать изображения без потерь, связанных с обычными интерферометрами:
«Одним из ключевых наблюдений является то, что запутанность, свойство квантовой механики, позволяет нам отправлять квантовое состояние из одного места в другое, не передавая его физически, в процессе, называемом квантовой телепортацией. Здесь свет от телескопов может быть «телепортирован» на измерительную станцию, тем самым обходя все потери при передаче. Этот метод в принципе позволил бы создавать массивы произвольного размера, предполагая, что решаются другие задачи, такие как стабилизация ».
При использовании ради телескопов с квантовой поддержкой идея заключается в создании постоянного потока запутанных пар. В то время как одна из парных частиц будет находиться в телескопе, другая будет перемещаться к центральному интерферометру. Когда фотон прибывает из далекой звезды, он взаимодействует с одной из этой пары и немедленно телепортируется на интерферометр, чтобы создать изображение.
Используя этот метод, можно создавать изображения с потерями, которые возникают при использовании обычных интерферометров Идея была впервые предложена в 2011 году Готтесманом, Дженневайном и Кроком из Университета Ватерлоо. В то время они и другие исследователи понимали, что концепция должна будет генерировать запутанную пару для каждого входящего фотона, которая составляет порядка триллионов пар в секунду.
Это было просто невозможно с использованием современных технологий; но благодаря последним разработкам в области квантовых вычислений и систем хранения это теперь возможно. Как указал Боррегор:
«[Вт]Описать, как свет может быть сжат в маленькие квантовые воспоминания, которые сохраняют квантовую информацию. Такие квантовые воспоминания могут состоять из атомов, которые взаимодействуют со светом. Методы передачи квантового состояния светового импульса в атом уже неоднократно демонстрировались в экспериментах. В результате сжатия в память мы используем значительно меньше запутанных пар по сравнению со схемами без памяти, такими как схема Gottesman et al. Например, для звезды с магнитудой 10 и шириной полосы измерения 10 ГГц наша схема требует частоты запутывания ~ 200 кГц, используя 20-кубитную память вместо 10 ГГц ранее. Такие спецификации возможны при использовании современных технологий, и более слабые звезды позволят получить еще большую экономию при небольшом увеличении объема памяти ».
Этот метод может привести к совершенно новым возможностям, когда дело доходит до астрономических изображений. С одной стороны, это значительно увеличит разрешение изображений и, возможно, позволит массивам достигать разрешений, эквивалентных разрешению зеркала 30 км. Кроме того, это могло бы позволить астрономам обнаруживать и изучать экзопланеты, используя технику прямой визуализации с разрешением вплоть до микросекундного уровня.
«Текущий рекорд составляет около миллисекунд», - сказал Боррегор. «Такое увеличение разрешения позволит астрономам получить доступ к ряду новых астрономических границ - от определения характеристик планетных систем до изучения цефеид и взаимодействующих двоичных файлов…. Интересная схема для разработчиков астрономических телескопов, наша схема будет хорошо подходить для реализации в космосе, где стабилизация менее важна. Космический оптический телескоп в масштабе 10-4 километров был бы действительно очень мощным ».
В ближайшие десятилетия многие космические и наземные обсерватории следующего поколения будут построены или развернуты. Ожидается, что эти инструменты уже предлагают значительно более высокое разрешение и возможности. С добавлением квантово-вспомогательных технологий эти обсерватории, возможно, даже смогут разгадать тайны темной материи и темной энергии и изучать внезолнечные планеты с удивительной детализацией.
Исследование группы «Квантовые телескопические матрицы» недавно появилось в сети. Помимо Хабибуллина и Боррегора, в соавторстве участвовали Кристиан Де Греве (научный сотрудник Гарварда) и Михаил Лукин - профессор физики Гарварда и глава группы Лукина в Гарвардской лаборатории квантовой оптики.
