През последните няколко века телескопите изминаха дълъг път. От сравнително скромните устройства, построени от астрономи като Галилео Галилей и Йоханес Кеплер, телескопите са се развили, за да се превърнат в масивни инструменти, които изискват цялото съоръжение да ги приюти и пълен екипаж и мрежа от компютри, за да ги управляват. И през следващите години ще бъдат изградени много по-големи обсерватории, които могат да направят още повече.
За съжаление, тази тенденция към по-големи и по-големи инструменти има много недостатъци. За начало все по-големите обсерватории изискват или все по-големи огледала, или много телескопи, които работят заедно - и двете са скъпи перспективи. За щастие екип от MIT предложи да комбинира интерферометрията с квантовата телепортация, което би могло значително да увеличи разделителната способност на масиви, без да разчита на по-големи огледала.
По-просто казано, интерферометрията е процес, при който светлината се получава от множество по-малки телескопи и след това се комбинира за реконструиране на изображения на наблюдаваното. Този процес се използва от съоръжения като Интерферометърът с много голям телескоп (VLTI) в Чили и Центърът за астрономия с висока ъглова разделителна способност (CHARA) в Калифорния.
Първият разчита на четири основни огледала с височина 8,2 м и четири подвижни 1.8 m (5,9 фута) допълнителни телескопи - което му дава резолюция, еквивалентна на 140 m (460 фута) огледало - докато втората разчита на шест еднометрови огледала телескоп, което му дава резолюция, еквивалентна на 330-м огледало. Накратко, интерферометрията позволява на телескопните масиви да създават изображения с по-висока разделителна способност, отколкото би било възможно в противен случай.
Един от недостатъците е, че фотоните неизбежно се губят по време на процеса на предаване. В резултат на това масиви като VLTI и CHARA могат да се използват само за гледане на ярки звезди, а изграждането на по-големи масиви за компенсиране на това отново повдига въпроса за разходите. Както Йоханес Борегаард - докторант в Центъра за математика на квантовата теория на Копенхаген (QMATH) и съавтор на статията, каза пред сп. Space Magazine по имейл:
„Едно от предизвикателствата на астрономическите изображения е да се получи добра резолюция. Разделителната способност е мярка за това колко малки са функциите, които можете да изобразите и в крайна сметка се задава от съотношението между дължината на вълната на светлината, която събирате, и размера на вашия апарат (граница на Рейли). Масивите на телескопа функционират като един гигантски апарат и колкото по-голям правите масива, толкова по-добра резолюция ще получите. "
Но разбира се, това идва с много висока цена. Например, Изключително големият телескоп, който в момента се изгражда в пустинята Атакама в Чили, ще бъде най-големият оптичен и близо инфрачервен телескоп в света. Когато беше предложен за първи път през 2012 г., ЕСО посочи, че проектът ще струва около 1 милиард евро (1,12 милиарда долара) въз основа на цените от 2012 г. Коригиран за инфлацията, това се равнява на 1,23 милиарда долара през 2018 г. и приблизително 1,47 милиарда долара (при предположение за инфлация от 3%) до 2024 г., когато планирането на строителството ще бъде завършено.
"Освен това астрономическите източници често не са много ярки в оптичния режим", добави Борреард. „Въпреки че съществуват редица класически техники за стабилизиране за справяне с първия, последният представлява основен проблем за нормалното функциониране на телескопните решетки. Стандартната техника за локално записване на светлината при всеки телескоп води до твърде много шум, за да работи за слаби източници на светлина. В резултат на това всички настоящи оптични телескопни решетки работят, като комбинират светлината от различни телескопи директно в една измервателна станция. Цената, която се заплаща, е затихването на светлината при предаване към измервателната станция. Тази загуба е сериозно ограничение за конструирането на много големи телескопни решетки в оптичния режим (настоящите оптични масиви имат размери макс. ~ 300 m) и в крайна сметка ще ограничат разделителната способност, след като бъдат въведени ефективни техники за стабилизиране. "
За тази цел екипът от Харвард - воден от Емил Хабибулин, студент в катедрата по физика на Харвард - предлага да се разчита на квантова телепортация. В квантовата физика телепортацията описва процеса, при който свойствата на частиците се транспортират от едно място на друго чрез квантово заплитане. Това, както обяснява Borregard, би позволило създаването на изображения без загубите, възникнали при нормалните интерферометри:
„Едно от основните наблюдения е, че заплитането, свойство на квантовата механика, ни позволява да изпращаме квантово състояние от едно място на друго, без да го предаваме физически, в процес, наречен квантова телепортация. Тук светлината от телескопите може да бъде „телепортирана“ до измервателната станция, като по този начин заобикаля всички загуби при предаване. Тази техника по принцип би позволила масиви с произволен размер, като се предприемат други предизвикателства, като например стабилизиране. "
Когато се използва в името на квантово подпомаганите телескопи, идеята би била да се създаде постоянен поток от заплетени двойки. Докато една от сдвоените частици ще пребивава в телескопа, другата ще пътува към централния интерферометър. Когато фотон пристигне от далечна звезда, той ще взаимодейства с една от тази двойка и веднага ще бъде телепортиран до интерферометъра, за да създаде изображение.
Използвайки този метод, изображенията могат да бъдат създадени със загубите, възникнали при нормалните интерферометри. Идеята е била предложена за първи път през 2011 г. от Готсман, Дженевайн и Кроке от Университета в Ватерло. По онова време те и други изследователи разбраха, че концепцията ще трябва да генерира заплетена двойка за всеки входящ фотон, което е от порядъка на трилиони двойки в секунда.
Това просто не беше възможно с помощта на тогавашните технологии; но благодарение на последните разработки в квантовите изчисления и съхранение, това може да е възможно. Както Borregaard посочи:
"[W]е очертайте как светлината може да се компресира в малки квантови спомени, които запазват квантовата информация. Такива квантови спомени могат да се състоят от атоми, които взаимодействат със светлината. Техники за прехвърляне на квантовото състояние на светлинен импулс в атом вече са демонстрирани многократно в експерименти. В резултат на компресирането в паметта използваме значително по-малко заплетени двойки в сравнение със схеми без памет, като тази от Gottesman et al. Например, за звезда с магнитуд 10 и честотна лента на измерване от 10 GHz, нашата схема изисква ~ 200 kHz скорост на заплитане, използвайки 20-кубитна памет вместо 10 GHz преди. Подобни спецификации са осъществими при съвременните технологии и по-бледите звезди биха довели до още по-големи спестявания само с малко по-големи спомени. “
Този метод може да доведе до някои напълно нови възможности, когато става въпрос за астрономически изображения. От една страна, това ще увеличи драстично разделителната способност на изображенията и може би ще позволи на масивите да постигнат разделителни способности, еквивалентни на резолюцията на 30 км огледало. В допълнение, това би могло да позволи на астрономите да откриват и изучават екзопланети, използвайки техниката за директно изобразяване с резолюции до нивото на микро-арсекундата.
"Сегашният запис е около милиарсекунди", каза Борреард. „Подобно увеличение на разделителната способност ще позволи на астрономите да получат достъп до редица нови астрономически граници, вариращи от определящи характеристики на планетарните системи до изучаване на цефеиди и взаимодействащи двоични файлове… Интересни за астрономическите дизайнери на телескопи, нашата схема би била много подходяща за приложение в космоса, когато стабилизирането е по-малко проблем. Космическият оптичен телескоп в мащаба от 10 ^ 4 километра наистина би бил много мощен. "
През следващите десетилетия се предвижда изграждането или разполагането на много космически и наземни обсерватории от следващо поколение. Вече се очаква тези инструменти да предлагат значително по-голяма разделителна способност и възможности. С добавянето на квантово подпомагана технология тези обсерватории могат дори да могат да разрешат мистериите на тъмната материя и тъмната енергия и да изучават извън слънчевите планети с невероятни детайли.
Проучването на екипа „Квантово подпомогнати телескопи“ се появи наскоро онлайн. В допълнение към Khabiboulline и Borregaard, изследването беше в съавторство с Кристиаан Де Грев (докторант от Харвард) и Михаил Лукин - професор по физика в Харвард и ръководител на групата Лукин в лабораторията за квантова оптика на Харвард.
