Teleskoper har kommet langt de siste hundreårene. Fra de relativt beskjedne enhetene som er bygget av astronomer som Galileo Galilei og Johannes Kepler, har teleskoper utviklet seg til å bli massive instrumenter som krever et helt anlegg for å huse dem og et fullt mannskap og nettverk av datamaskiner for å kjøre dem. Og i de kommende årene vil det bli konstruert mye større observatorier som kan gjøre enda mer.
Dessverre har denne trenden mot større og større instrumenter mange ulemper. For det første krever stadig større observatorier enten stadig større speil eller mange teleskoper som jobber sammen - som begge er dyre utsikter. Heldigvis har et team fra MIT foreslått å kombinere interferometri med kvanteteleportering, noe som kan øke oppløsningen av matriser betydelig uten å stole på større speil.
For å si det enkelt, interferometri er en prosess der lys oppnås av flere mindre teleskoper og deretter kombineres for å rekonstruere bilder av det de observerte. Denne prosessen brukes av slike anlegg som Very Large Telescope Interferometer (VLTI) i Chile og Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) i California.
Førstnevnte er avhengig av fire 8,2 m hovedspeil og fire bevegelige 1,8 m (5,9 fot) hjelpeteleskoper - noe som gir den en oppløsning som tilsvarer et 140 m (460 ft) speil - mens sistnevnte er avhengig av seks en meter teleskop, noe som gir det en oppløsning som tilsvarer et 330-m (1083 ft) speil. Kort sagt, interferometri lar teleskopgrupper produsere bilder med høyere oppløsning enn ellers ville vært mulig.
En av ulempene er at fotoner uunngåelig går tapt under overføringsprosessen. Som et resultat kan matriser som VLTI og CHARA bare brukes til å se lyse stjerner, og å bygge større matriser for å kompensere for dette igjen reiser spørsmålet om kostnader. Som Johannes Borregaard - en postdoktor ved University of Copenhagen Center for Mathematics of Quantum Theory (QMATH) og en medforfatter på papiret - fortalte Space Magazine via e-post:
”En utfordring med astronomisk avbildning er å få god oppløsning. Oppløsningen er et mål på hvor små funksjoner som du kan bilde, og den blir til slutt satt av forholdet mellom bølgelengden til lyset du samler og størrelsen på apparatet (Rayleigh-grense). Teleskoparrayer fungerer som ett gigantisk apparat, og jo større du gjør matrisen, jo bedre oppløsning får du. ”
Men selvfølgelig kommer dette til en veldig høy pris. For eksempel vil det ekstremt store teleskopet, som for tiden bygges i Atacama-ørkenen i Chile, være det største optiske og nærinfrarøde teleskopet i verden. Da ESO først ble foreslått i 2012, indikerte at prosjektet ville koste rundt 1 milliard euro (1,12 milliarder dollar) basert på 2012-priser. Justert for inflasjon, som utgjør 1,23 milliarder dollar i 2018, og omtrent 1,47 milliarder dollar (forutsatt en inflasjonsrate på 3%) innen 2024 når byggingen planlegges fullført.
"Videre er astronomiske kilder ofte ikke så lyse i det optiske regimet," la Borregaard til. Selv om det finnes en rekke klassiske stabiliseringsteknikker for å takle den førstnevnte, utgjør den sistnevnte et grunnleggende problem for hvordan teleskopmatriser normalt brukes. Standard teknikk for å lokalt registrere lyset ved hvert teleskop resulterer i for mye støy til å fungere for svake lyskilder. Som et resultat fungerer alle aktuelle optiske teleskoparrayer ved å kombinere lyset fra forskjellige teleskoper direkte på en enkelt målestasjon. Prisen som skal betales er demping av lyset som overføres til målestasjonen. Dette tapet er en alvorlig begrensning for å konstruere veldig store teleskoparrayer i det optiske regimet (nåværende optiske arrays har størrelser på maks. ~ 300 m) og vil til slutt begrense oppløsningen når effektive stabiliseringsteknikker er på plass. "
Til dette antyder Harvard-teamet - ledet av Emil Khabiboulline, en doktorgradsstudent ved Harvards Department of Physics - å stole på kvanteteleportering. I kvantefysikk beskriver teleportering prosessen der egenskapene til partikler blir transportert fra ett sted til et annet via kvanteforvikling. Dette, som Borregard forklarer, ville tillate bilder å bli opprettet uten tapene som oppstår ved normale interferometre:
En nøkkelobservasjon er at sammenfiltring, en egenskap til kvantemekanikk, gjør det mulig for oss å sende en kvantetilstand fra ett sted til et annet uten å overføre den fysisk, i en prosess som kalles kvanteteleportering. Her kan lyset fra teleskopene "teleporteres" til målestasjonen, og dermed kringgå alt overføringstapet. Denne teknikken vil i prinsippet gi rom for matriser av vilkårlig størrelse forutsatt at andre utfordringer som stabilisering blir håndtert. "
Når det brukes av hensyn til kvantestøttede teleskoper, ville ideen være å skape en konstant strøm av sammenfiltrede par. Mens en av de sammenkoblede partiklene skulle ligge ved teleskopet, ville den andre reise til det sentrale interferometer. Når et foton kommer fra en fjern stjerne, vil den samhandle med et av dette paret og bli umiddelbart teleportert til interferometeret for å lage et bilde.
Ved hjelp av denne metoden kan bilder opprettes med tapene som oppstår ved normale interferometre. Ideen ble først antydet i 2011 av Gottesman, Jennewein og Croke fra University of Waterloo. På den tiden forsto de og andre forskere at konseptet ville trenge å generere et sammenfiltret par for hvert innkommende foton, som er i størrelsesorden billioner par per sekund.
Dette var rett og slett ikke mulig å bruke dagens teknologi; men takket være den nylige utviklingen innen kvanteberegning og lagring, kan det nå være mulig. Som Borregaard antydet:
“[W]skissere hvordan lyset kan komprimeres til små kvanteminner som bevarer kvanteinformasjonen. Slike kvanteminner kan bestå av atomer som samhandler med lyset. Teknikker for å overføre kvantetilstanden til en lyspuls til et atom har allerede blitt demonstrert en rekke ganger i eksperimenter. Som et resultat av komprimering i minnet bruker vi betydelig færre sammenfiltrede par sammenlignet med minnefrie ordninger som den av Gottesman et al. For eksempel, for en stjerne i størrelsesorden 10 og målebåndbredde på 10 GHz, krever vårt skjema ~ 200 kHz sammenfiltringshastighet ved bruk av et 20-kbitbit minne i stedet for 10 GHz før. Slike spesifikasjoner er gjennomførbare med dagens teknologi og svakere stjerner vil resultere i enda større besparelser med bare litt større minner. "
Denne metoden kan føre til noen helt nye muligheter når det gjelder astronomisk avbildning. For det første vil det øke oppløsningen av bilder dramatisk, og kanskje gjøre det mulig for matriser å oppnå oppløsninger som tilsvarer en 30 km speil. I tillegg kan det tillate astronomer å oppdage og studere eksoplaneter ved bruk av direkte avbildningsteknikk med oppløsninger ned til mikro-arsekund nivå.
"Den nåværende rekorden er rundt milli-arcsekunder," sa Borregaard. "En slik økning i oppløsningen vil tillate astronomer å få tilgang til en rekke nye astronomiske grenser, alt fra å bestemme egenskapene til planetariske systemer til å studere cepheider og samhandle binære ... Av interesse for astronomiske teleskopdesignere, ville vårt opplegg være godt egnet for implementering i verdensrommet, der stabilisering er mindre problematisk. Et rombasert optisk teleskop i størrelsesorden 10 ^ 4 kilometer ville faktisk være veldig kraftig. ”
I de kommende tiårene er det mange neste generasjons rom- og bakkebaserte observatorier som skal bygges eller settes ut. Allerede forventes disse instrumentene å tilby sterkt økt oppløsning og kapasitet. Med tillegg av kvanteassistert teknologi kan disse observatoriene til og med være i stand til å løse mysteriene om mørk materie og mørk energi, og studere ekstrasolplaneter i fantastisk detalj.
Teamets studie, “Quantum-Assisted Telescope Arrays”, ble nylig vist på nettet. I tillegg til Khabiboulline og Borregaard, ble studien medforfatter av Kristiaan De Greve (en Harvard-postdoktor) og Mikhail Lukin - en Harvard-professor i fysikk og leder av Lukin-gruppen ved Harvards Quantum Optics Laboratory.
