Kaukoputket ovat edenneet pitkälle viime vuosisatojen aikana. Tähtitieteilijöiden, kuten Galileo Galilein ja Johannes Keplerin, rakentamista suhteellisen vaatimattomista laitteista, kaukoputkeista on kehittynyt massiivisia instrumentteja, jotka vaativat koko laitteiston niiden sijoittamiseksi ja täyden miehistön ja tietokoneverkon niiden käyttämiseksi. Ja tulevina vuosina rakennetaan paljon suurempia observatorioita, jotka voivat tehdä vielä enemmän.
Valitettavasti tällä suuntauksella kohti suurempia ja suurempia instrumentteja on monia haittoja. Ensinnäkin yhä suuret observatoriat vaativat joko yhä suurempia peilejä tai monia yhdessä käytettäviä kaukoputkia - molemmat ovat kalliita näkymiä. Onneksi MIT: n ryhmä on ehdottanut interferometrian yhdistämistä kvantiteleportaation kanssa, mikä voisi merkittävästi lisätä ryhmien resoluutiota luottamatta suurempiin peileihin.
Yksinkertaisesti sanottuna, interferometria on prosessi, jossa valo saadaan useilla pienemmillä kaukoputkilla ja yhdistetään sitten rekonstruoimaan kuvia havaitsemastaan. Tätä prosessia käyttävät sellaiset laitokset kuin erittäin suuri teleskooppinterferometri (VLTI) Chilessä ja korkea-kulmaresoluutioastronomian keskus (CHARA) Kaliforniassa.
Entinen vetoaa neljään 8,2 m (27 ft) pääpeiliin ja neljään siirrettävään 1,8 m (5,9 ft) aputeleskooppiin - mikä antaa sille resoluution, joka vastaa 140 m (460 ft) peiliä -, kun taas jälkimmäinen perustuu kuuteen yhden metrin metriin. kaukoputki, joka antaa sille erottelutarkkuuden, joka vastaa 330 metrin peiliä. Lyhyesti sanottuna, interferometria antaa teleskooppimatriisien tuottaa korkeamman resoluution kuvia kuin muuten olisi mahdollista.
Yksi haitoista on, että fotonit katoavat väistämättä lähetysprosessin aikana. Seurauksena VLTI: n ja CHARA: n kaltaisia matriiseja voidaan käyttää vain kirkkaiden tähtien katsomiseen, ja suurempien matriisien rakentaminen tämän kompensoimiseksi herättää jälleen kustannuskysymyksen. Kuten Johannes Borregaard - tutkijatohtori Kööpenhaminan yliopiston kvantiteorian matematiikan keskuksessa (QMATH) ja kirjoituksen kirjoittaja - kertoi Space Magazinelle sähköpostitse:
”Yksi tähtitieteellisen kuvantamisen haaste on saada hyvä tarkkuus. Resoluutio on mitta siitä, kuinka pieniä ominaisuuksia voit kuvata, ja se määritetään lopulta kerättävän valon aallonpituuden ja laitteesi koon suhteella (Rayleigh-raja). Teleskooppimatriisit toimivat yhtenä jättiläislaitteena ja mitä suurempi olet, sitä paremmin erottelukyvyn saat ryhmästä. "
Mutta tietysti tästä tulee erittäin korkeat kustannukset. Esimerkiksi äärimmäisen suuri kaukoputki, jota rakennetaan parhaillaan Atacama-autiomaahan Chilessä, on maailman suurin optinen ja lähellä infrapuna-kaukoputki. Kun ensimmäistä ehdotusta tehtiin vuonna 2012, ESO ilmoitti, että hanke maksaa noin miljardi euroa (1,12 miljardia dollaria) vuoden 2012 hintoihin perustuen. Inflaatioon mukautettuna se on 1,23 miljardia dollaria vuonna 2018 ja suunnilleen 1,47 miljardia dollaria (olettaen 3 prosentin inflaatiovauhdin) vuoteen 2024 mennessä, kun rakennustekniikan on määrä valmistua.
"Lisäksi tähtitieteelliset lähteet eivät usein ole kovin kirkkaita optisessa tilassa", Borregaard lisäsi. "Vaikka on olemassa joukko klassisia stabilointitekniikoita ensimmäisen ratkaisemiseksi, jälkimmäinen on perustavanlaatuinen ongelma teleskooppijärjestelmien normaalissa toiminnassa. Tavanomainen tekniikka valon tallentamiseksi paikallisesti jokaisessa kaukoputkessa johtaa liialliseen meluun heikkojen valonlähteiden käyttämiseksi. Seurauksena on, että kaikki nykyiset optiset teleskooppijärjestelmät toimivat yhdistämällä eri teleskooppien valo suoraan yhdessä mittausasemassa. Maksettava hinta on mittausasemalle läpäisevän valon vaimennus. Tämä häviö on vakava rajoitus erittäin suurten teleskooppimatriisien rakentamiselle optisessa tilassa (nykyisten optisten ryhmien koot ovat enimmillään ~ 300 m) ja rajoittaa lopulta resoluutiota, kun tehokkaat stabilointitekniikat ovat paikallaan. "
Tähän Harvardin joukkue - jota johtaa Harvardin fysiikan laitoksen jatko-opiskelija Emil Khabiboulline - ehdottaa luottamista kvantti-teleportaatioon. Kvantfysiikassa teleportaatio kuvaa prosessia, jossa hiukkasten ominaisuudet kuljetetaan paikasta toiseen kvanttifungaation kautta. Tämä, kuten Borregard selittää, mahdollistaisi kuvien luomisen ilman normaalien interferometrien aiheuttamia häviöitä:
”Yksi keskeinen havainto on, että takertuminen, kvantimekaniikan ominaisuus, antaa meille mahdollisuuden lähettää kvantitila paikasta toiseen lähettämättä sitä fyysisesti, prosessissa, jota kutsutaan kvantti-teleportaatioksi. Täällä teleskooppien valo voidaan ”siirtää” teleporttiin mittausasemalle, jolloin kaikki lähetyshäviöt vältetään. Tämä tekniikka mahdollistaisi periaatteessa mielivaltaisen kokoiset ryhmät edellyttäen, että käsitellään muita haasteita, kuten vakauttamista. "
Kvantti-avusteisten kaukoputkien vuoksi ajatuksena olisi luoda jatkuva takertuneiden parien virta. Vaikka toinen pariksi muodostuvista hiukkasista astuisi kaukoputkella, toinen kulkisi keskiinterferometriin. Kun fotoni saapuu kaukaiselta tähdeltä, se on vuorovaikutuksessa yhden parin kanssa ja siirretään heti teleferometriin kuvan luomiseksi.
Tätä menetelmää käyttämällä voidaan luoda kuvia normaalien interferometrien tappioista. Idean ehdottivat ensimmäisen kerran vuonna 2011 Gottesman, Jennewein ja Croke Waterloon yliopistosta. Tuolloin he ja muut tutkijat ymmärsivät, että konseptin tulisi luoda kietoutunut pari jokaiselle tulevalle fotonille, mikä on biljoonia paria sekunnissa.
Tämä ei yksinkertaisesti ollut mahdollista silloisen tekniikan avulla; mutta kvanttilaskennan ja -tallennuksen viimeaikaisen kehityksen ansiosta se voi nyt olla mahdollista. Kuten Borregaard ilmoitti:
”[W]Hahmotellaan, kuinka valo voidaan puristaa pieniksi kvanttimuistoiksi, jotka säilyttävät kvanttitiedot. Tällaiset kvantimuistit voisivat koostua atomista, jotka ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa. Tekniikat valopulssin kvanttitilan siirtämiseksi atomiin on jo osoitettu useita kertoja kokeissa. Muistiin pakkaamisen seurauksena käytämme huomattavasti vähemmän takertuneita pareja verrattuna muistittomiin järjestelmiin, kuten Gottesmanin et ai. Esimerkiksi tähtimerkillä 10, jonka mitta on 10 ja mittauskaistanleveys on 10 GHz, kaaviomme vaatii ~ 200 kHz takertumisnopeutta käyttämällä 20-bittistä muistia aiemman 10 GHz: n sijasta. Tällaiset eritelmät ovat toteutettavissa nykytekniikalla, ja vaaleammat tähdet johtaisivat vielä suurempiin säästöihin vain hiukan isommilla muodoilla. "
Tämä menetelmä voisi johtaa aivan uusiin mahdollisuuksiin tähtitieteellisessä kuvantamisessa. Yhden suhteen se lisää dramaattisesti kuvien resoluutiota ja mahdollisesti mahdollistaa, että taulukot saavuttavat resoluutiot, jotka vastaavat 30 km: n peilin resoluutiota. Lisäksi se voisi antaa tähtitieteilijöiden havaita ja tutkia eksoplaneettoja käyttämällä suoraa kuvantamistekniikkaa resoluutioilla mikrosekundin tasoon asti.
"Nykyinen ennätys on noin milli-kaarisekuntia", sanoi Borregaard. "Tällainen tarkkuuden lisääminen antaa tähtitieteilijöille pääsyn lukuisiin uusiin tähtitieteellisiin rajoihin planeettajärjestelmien ominaisuuksien määrittämisestä kefeidien tutkimiseen ja vuorovaikutteisiin binaareihin ... Tähtitieteellisten teleskooppisuunnittelijoiden mielenkiintoinen suunnitelma sopisi hyvin toteutettavaksi avaruudessa, joissa vakauttaminen ei ole niin ongelma. Avaruuspohjainen optinen kaukoputki mittakaavassa 10 ^ 4 km olisi todellakin erittäin tehokas. "
Seuraavien vuosikymmenien aikana on tarkoitus rakentaa tai ottaa käyttöön useita seuraavan sukupolven avaruus- ja maanpäällisiä observatorioita. Näiden välineiden odotetaan jo tarjoavan huomattavasti parempaa resoluutiota ja kykyä. Lisäämällä kvanttiohjattua tekniikkaa, nämä observatoriat voisivat jopa pystyä ratkaisemaan pimeän aineen ja pimeän energian mysteerit ja tutkimaan aurinkoon kuulumattomia planeettoja uskomattoman yksityiskohtaisesti.
Ryhmän tutkimus ”Quantum-Assisted Telescope Arrays” ilmestyi äskettäin verkossa. Khabiboullinen ja Borregaardin lisäksi tutkimuksen yhteistyökumppaneina olivat Kristiaan De Greve (Harvardin tutkijatohtori) ja Mikhail Lukin - Harvardin fysiikan professori ja Lukin-ryhmän päällikkö Harvardin Quantum Optics Laboratoryssa.
