En ny kvanteteknik kunne muliggøre teleskoper på størrelse med planeten Jorden

Der er en revolution i gang inden for astronomi. Faktisk kan man sige, at der er flere. I de sidste 10 år er exoplanetundersøgelser gået betydeligt frem, gravitationsbølgeastronomi er dukket op som et nyt felt, og de første billeder af supermassive sorte huller (SMBH'er) er blevet fanget. Et beslægtet felt, interferometri, har også udviklet sig utroligt takket være meget følsomme instrumenter og evnen til at dele og kombinere data fra observatorier verden over. Især åbner videnskaben om meget lang baseline interferometri (VLBI) helt nye muligheder.

Ifølge en nylig undersøgelse foretaget af forskere fra Australien og Singapore kan en ny kvanteteknik forbedre optisk VLBI. Det er kendt som Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), som gør det muligt at overføre kvanteinformation uden tab. Når den er indprentet i en kvantefejlkorrektionskode, kunne denne teknik give mulighed for VLBI-observationer i tidligere utilgængelige bølgelængder. Når først den er integreret med næste generations instrumenter, kunne denne teknik give mulighed for mere detaljerede undersøgelser af sorte huller, exoplaneter, solsystemet og overfladerne af fjerne stjerner.

Forskningen blev ledet af Zixin Huang, en postdoc-stipendiat ved Center for Engineered Quantum Systems (EQuS) ved Macquarie University i Sydney, Australien. Hun fik selskab af Gavin Brennan, professor i teoretisk fysik ved Institut for Elektro- og Computerteknik og Center for Quantum Technologies ved National University of Singapore (NUS), og Yingkai Ouyang, en seniorforsker ved Center of Quantum Technologies på NUS.

For at sige det helt enkelt består interferometriteknikken i at kombinere lys fra flere teleskoper for at skabe billeder af et objekt, som ellers ville være for svært at løse. Very Long Baseline Interferometry refererer til en specifik teknik, der bruges i radioastronomi, hvor signaler fra en astronomisk radiokilde (sorte huller, kvasarer, pulsarer, stjernedannende tåger osv.) kombineres for at skabe detaljerede billeder af deres struktur og aktivitet. I de seneste år har VLBI givet de mest detaljerede billeder af stjernerne, der kredser om Sagitarrius A* (Sgr A*), SMBH i midten af ​​vores galakse (se ovenfor).

Det gjorde det også muligt for astronomer med Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration at fange det første billede af et sort hul (M87*) og selve Sgr A*. Men som de indikerede i deres undersøgelse, er klassisk interferometri stadig hindret af flere fysiske begrænsninger, herunder informationstab, støj og det faktum, at det opnåede lys generelt er kvantemæssigt (hvor fotoner er viklet ind). Ved at adressere disse begrænsninger kunne VLBI bruges til meget finere astronomiske undersøgelser. Sagde Dr. Huang til Universe Today via e-mail:

"Nuværende state-of-the-art store baseline billeddannelsessystemer opererer i mikrobølgebåndet af det elektromagnetiske spektrum. For at realisere optisk interferometri skal alle dele af interferometeret være stabile inden for en brøkdel af en bølgelængde af lys, så lys kan forstyrre. Dette er meget svært at gøre over store afstande:kilder til støj kan komme fra selve instrumentet, termisk ekspansion og sammentrækning, vibrationer osv.; og oven i købet er der tab forbundet med de optiske elementer."

"Idéen med denne forskningslinje er at give os mulighed for at bevæge os ind i de optiske frekvenser fra mikrobølger; disse teknikker gælder også for infrarød. Vi kan allerede lave stor-baseline interferometri i mikrobølger. Denne opgave bliver dog meget vanskelig i optiske frekvenser , fordi selv den hurtigste elektronik ikke direkte kan måle det elektriske felts svingninger ved disse frekvenser."

Nøglen til at overvinde disse begrænsninger, siger Dr. Huang og hendes kolleger, er at anvende kvantekommunikationsteknikker som Stimuleret Raman Adiabatic Passage. STIRAP består af at bruge to sammenhængende lysimpulser til at overføre optisk information mellem to anvendelige kvantetilstande. Når det anvendes på VLBI, sagde Huang, vil det give mulighed for effektive og selektive befolkningsoverførsler mellem kvantetilstande uden at lide under de sædvanlige problemer med støj eller tab.

Som de beskriver i deres papir, "Imaging stjerner med kvantefejlkorrektion", ville den proces, de forestiller sig, involvere en sammenhængende kobling af stjernelyset til "mørke" atomare tilstande, der ikke udstråler. Det næste trin, sagde Huang, er at koble lyset med kvantefejlskorrektion (QEC), en teknik, der bruges i kvanteberegning til at beskytte kvanteinformation mod fejl på grund af dekohærens og anden "kvantestøj". Men som Huang angiver, kunne denne samme teknik give mulighed for mere detaljeret og nøjagtig interferometri:

"For at efterligne et stort optisk interferometer skal lyset opsamles og behandles sammenhængende, og vi foreslår at bruge kvantefejlkorrektion til at afbøde fejl på grund af tab og støj i denne proces. Kvantefejlkorrektion er et område i hastig udvikling, der hovedsageligt fokuserer på at muliggøre skalerbar kvanteberegning ved tilstedeværelse af fejl. I kombination med foruddistribueret sammenfiltring kan vi udføre de operationer, der uddrager den information, vi har brug for fra stjernelys, mens vi undertrykker støj."

For at teste deres teori overvejede holdet et scenarie, hvor to faciliteter (Alice og Bob) adskilt af lange afstande indsamler astronomisk lys. Hver deler på forhånd distribueret sammenfiltring og indeholder "kvantehukommelser", som lyset er fanget i, og hver forbereder sit eget sæt kvantedata (qubits) til en eller anden QEC-kode. De modtagne kvantetilstande indprintes derefter på en delt QEC-kode af en dekoder, som beskytter dataene mod efterfølgende støjende operationer.

I "encoder"-stadiet fanges signalet ind i kvantehukommelserne via STIRAP-teknikken, som gør det muligt for det indkommende lys at blive kohærent koblet ind i en ikke-strålende tilstand af et atom. Evnen til at fange lys fra astronomiske kilder, der tegner sig for kvantetilstande (og eliminerer kvantestøj og informationstab) ville være en game-changer for interferometri. Desuden ville disse forbedringer have betydelige konsekvenser for andre områder inden for astronomi, som også bliver revolutioneret i dag.

"Ved at flytte ind i optiske frekvenser vil et sådant kvantebilleddannelsesnetværk forbedre billedopløsningen med tre til fem størrelsesordener," sagde Huang. "Det ville være kraftigt nok til at afbilde små planeter omkring nærliggende stjerner, detaljer om solsystemer, kinematik af stjerneoverflader, tilvækstskiver og potentielt detaljer omkring begivenhedshorisonten for sorte huller - hvoraf ingen af ​​de i øjeblikket planlagte projekter kan løse."

I den nærmeste fremtid vil James Webb Space Telescope (JWST) bruge sin avancerede suite af infrarøde billedinstrumenter til at karakterisere exoplanetatmosfærer som aldrig før. Det samme er tilfældet med jordbaserede observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT) og Thirty Meter Telescope (TMT). Mellem deres store primære spejle, adaptive optik, koronagrafer og spektrometre vil disse observatorier muliggøre direkte billeddannelsesstudier af exoplaneter, hvilket giver værdifuld information om deres overflader og atmosfærer.

Ved at drage fordel af nye kvanteteknikker og integrere dem med VLBI, vil observatorier have en anden måde at fange billeder af nogle af de mest utilgængelige og svære at se objekter i vores univers. + Udforsk yderligere

En ny teori til at teste hypoteser og metoder til exoplanetdetektion