Jak zbudować teleskop wspomagany teleportacją?

Wielkie teleskopy są modne; lepiej, ponieważ zbierają więcej światła i wytwarzają obrazy o wyższej rozdzielczości. Największym teleskopem optycznym jest obecnie Gran Telescopio Canarias na Wyspach Kanaryjskich, który posiada zwierciadło główne o średnicy 10,4 metra.

Niedługo będzie to przyćmione przez budowany obecnie w Chile Ekstremalnie Wielki Teleskop, który po włączeniu w 2024 r. będzie miał zwierciadło główne o średnicy prawie 40 metrów. Budowa będzie też kosztować około 1 miliarda dolarów.

Istnieje jednak tańszy sposób na powiększenie teleskopów — zbuduj szereg mniejszych i połącz ich światło za pomocą interferometru. Najpotężniejszą z nich jest CHARA, która znajduje się na Mount Wilson w Kalifornii. CHARA składa się z sześciu jednometrowych teleskopów rozdzielonych w sposób, który daje im rozdzielczość równoważną 330-metrowemu zwierciadłu.

Daje to obrazy o znacznie wyższej rozdzielczości niż jakikolwiek konwencjonalny teleskop. W 2013 roku CHARA wykonała pierwsze zdjęcia plam gwiezdnych na powierzchni innego słońca, Zeta Andromedae, jakieś 180 lat świetlnych stąd.

Ale jest problem z gigantycznymi układami optycznymi. Światło zebrane w każdym teleskopie musi być podawane do centralnego interferometru, który łączy fotony w celu stworzenia obrazu. Fotony są jednak nieuchronnie tracone w procesie transmisji, co poważnie ogranicza wydajność obrazowania.

W rezultacie, CHARA i inne podobne macierze mogą obrazować tylko jasne gwiazdy. A perspektywy na zbudowanie większych tablic są ponure.

Wchodzi Emil Khabiboulline i jego współpracownicy z Uniwersytetu Harvarda w Cambridge w stanie Massachusetts, którzy dzisiaj pokazują, jak dziwne prawa mechaniki kwantowej mogą pomóc rozwiązać ten problem. Mówią, że teleskopy ze wspomaganiem kwantowym mogą znacznie zwiększyć maksymalny rozmiar tych macierzy i rozdzielczość obrazów, które mogą wytwarzać.

Najpierw trochę tła. Fizycy od dawna wiedzą, że cząstki kwantowe utworzone w tym samym punkcie we wszechświecie dzielą tę samą egzystencję. Tworzy to połączenie między nimi, które przetrwa nawet wtedy, gdy dzielą je ogromne odległości. To połączenie nazywa się splątaniem, a fizycy już go wykorzystali do przesyłania informacji kwantowych w przestrzeni i teleportowania cząstek kwantowych z jednego miejsca do drugiego.

Teleportacja zaczyna się od pary splątanych cząstek, nazwijmy je A i B. Kiedy jedna z tej pary, A, wchodzi w interakcję z trzecią cząstką, informacja kwantowa z tej trzeciej cząstki jest przesyłana przez splątane połączenie do cząstki B, która przejmuje jej tożsamość.

To tak, jakby trzecia cząstka przeszła z jednego miejsca do drugiego, nie przechodząc przez przestrzeń pomiędzy nimi. Dlatego fizycy nazywają to teleportacją.

To właśnie ten proces teleportacji wykorzystają teleskopy wspomagane kwantowo. Pomysł, zaproponowany po raz pierwszy w 2011 roku, polega na tworzeniu ciągłego strumienia splątanych par. Jedna z par znajduje się w teleskopie, podczas gdy druga podróżuje do centralnego interferometru.

Kiedy foton przybywa z odległej gwiazdy, wchodzi w interakcję z jedną z tej pary i jest natychmiast teleportowany do interferometru, gdzie może stworzyć obraz. W ten sposób można stworzyć obraz bez strat, które normalnie ograniczają wydajność.

Kiedy ten pomysł został po raz pierwszy zaproponowany w 2011 roku, fizycy natychmiast zdali sobie sprawę, że wymaga on ogromnej liczby splątanych par, po jednej na każdy przychodzący foton. To około 1011 na sekundę w CHARA i rzędy wielkości więcej niż jest to możliwe przy obecnej technologii.

Z tego powodu pomysł wykorzystania teleskopów wspomaganych teleportacją osłabł. Do teraz.

Przełomem, którego dokonali Khabiboulline i jego koledzy, jest ustalenie, w jaki sposób informacje kwantowe pochodzące ze światła gwiazd mogą być kompresowane i przechowywane oraz w jaki sposób radykalnie zmniejsza to ilość wymaganego splątania. Niezbędne tempo rozkładu splątania zmniejsza się o kilka rzędów wielkości, co otwiera realistyczne perspektywy wykorzystania krótkoterminowych sieci kwantowych do obrazowania w wysokiej rozdzielczości.

Technologia, która to umożliwia, to pamięć kwantowa. Są to urządzenia, które mogą przechowywać stan kwantowy, a następnie go przesyłać. [To daje] wykładniczą redukcję zużycia splątanych zasobów, w porównaniu ze schematami bez pamięci, mówią.

Fizycy poczynili ostatnio znaczące postępy w rozwoju pamięci kwantowych, kierując się ideą, że te urządzenia umożliwią technologie takie jak internet kwantowy. Teleskopy kwantowe są znacznie bardziej wymagające ze względu na wymaganą prędkość splątanych cząstek. Ale Khabiboulline i koledzy twierdzą, że teraz wygląda to bardziej praktycznie.

To interesująca praca, która otwiera zupełnie nowe podejście do obrazowania astronomicznego. Sugestia jest taka, że ​​umożliwi to szyk z linią bazową w rejonie 30 kilometrów. To znacznie zwiększy rozdzielczość obrazów.

Ale w zasadzie powinno być możliwe zbudowanie szyków, które są jeszcze znacznie większe, być może nawet mają średnicę Ziemi. To ekscytująca perspektywa dla astronomów przyszłości.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1809.03396 : Macierze teleskopów wspomaganych kwantowo

ukryć