Teleskoper er nået langt i de sidste par århundreder. Fra de relativt beskedne enheder, der er bygget af astronomer som Galileo Galilei og Johannes Kepler, har teleskoper udviklet sig til at blive massive instrumenter, der kræver en hel facilitet til at huse dem og et komplet besætning og netværk af computere for at køre dem. Og i de kommende år vil der blive konstrueret meget større observatorier, der kan gøre endnu mere.
Desværre har denne tendens mod større og større instrumenter mange ulemper. For det første kræver stadig større observatorier enten stadig større spejle eller mange teleskoper, der arbejder sammen - som begge er dyre udsigter. Heldigvis har et team fra MIT foreslået at kombinere interferometri med kvanteteleportering, hvilket kunne øge opløsningen af arrays betydeligt uden at stole på større spejle.
Kort sagt er interferometri en proces, hvor lys opnås ved flere mindre teleskoper og derefter kombineres for at rekonstruere billeder af, hvad de observerede. Denne proces bruges af faciliteter som Very Large Telescope Interferometer (VLTI) i Chile og Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) i Californien.
Førstnævnte er afhængig af fire 8,2 m (27 ft) hovedspejle og fire bevægelige 1,8 m (5,9 ft) hjælpteleskoper - hvilket giver det en opløsning svarende til et 140 m (460 ft) spejl - mens sidstnævnte er afhængig af seks en meter teleskop, der giver det en opløsning svarende til et 330-m (1083 ft) spejl. Kort sagt tillader interferometri teleskoparrays at fremstille billeder med en højere opløsning end ellers ville være muligt.
En af ulemperne er, at fotoner uundgåeligt går tabt under transmissionsprocessen. Som et resultat kan matriser som VLTI og CHARA kun bruges til at se lyse stjerner, og opbygning af større matriser for at kompensere for dette rejser spørgsmålet om omkostninger igen. Som Johannes Borregaard - en postdoktor ved Københavns Universitets Center for Matematik for Kvanteteori (QMATH) og en medforfatter på papiret - fortalte Space Magazine via e-mail:
”En udfordring ved astronomisk billeddannelse er at få en god opløsning. Opløsningen er et mål på, hvor små funktionerne er, som du kan billedet, og den indstilles i sidste ende af forholdet mellem bølgelængden på det lys, du opsamler, og størrelsen på dit apparat (Rayleigh-grænse). Teleskoparrays fungerer som et gigantisk apparat, og jo større du gør matrixen, jo bedre opløsning får du. ”
Men selvfølgelig kommer dette til en meget høj pris. F.eks. Vil det ekstremt store teleskop, der i øjeblikket er ved at blive bygget i Atacama-ørkenen i Chile, være det største optiske og næsten infrarøde teleskop i verden. Da ESO først blev foreslået i 2012, oplyste ESO, at projektet ville koste omkring 1 milliard euro (1,12 milliarder dollars) baseret på 2012-priser. Justeret for inflation, der udgør 1,23 mia. Dollars i 2018, og ca. 1,47 mia. Dollars (forudsat en inflationsrate på 3%) inden 2024, når byggeriet planlægges afsluttet.
”Derudover er astronomiske kilder ofte ikke meget lyse i det optiske regime,” tilføjede Borregaard. ”Selvom der findes en række klassiske stabiliseringsteknikker til at tackle førstnævnte, udgør sidstnævnte et grundlæggende problem for, hvordan teleskopgrupper normalt betjenes. Standardteknikken til lokal registrering af lyset ved hvert teleskop resulterer i for meget støj til at fungere for svage lyskilder. Som et resultat fungerer alle aktuelle optiske teleskoparrays ved at kombinere lyset fra forskellige teleskoper direkte på en enkelt målestation. Prisen, der skal betales, er dæmpning af lyset, der transmitteres til målestationen. Dette tab er en alvorlig begrænsning for konstruktion af meget store teleskoparrays i det optiske regime (nuværende optiske arrays har størrelser på maks. ~ 300 m) og vil i sidste ende begrænse opløsningen, når effektive stabiliseringsteknikker er på plads. ”
Til dette foreslår Harvard-teamet - ledet af Emil Khabiboulline, en kandidatstuderende ved Harvards Institut for Fysik - at stole på kvanteteleportering. I kvantefysik beskriver teleportering processen, hvor partiklernes egenskaber transporteres fra et sted til et andet via kvanteforvikling. Dette, som Borregard forklarer, ville give mulighed for at oprette billeder uden de tab, der opstår ved normale interferometre:
”En nøgleobservation er, at sammenfiltring, en egenskab for kvantemekanik, giver os mulighed for at sende en kvantetilstand fra et sted til et andet uden fysisk at overføre det, i en proces kaldet kvanteteleportation. Her kan lyset fra teleskopene "teleporteres" til målestationen, hvorved alt transmissionstabet omgås. Denne teknik tillader i princippet arrayer af vilkårlig størrelse, hvis man antager, at andre udfordringer, såsom stabilisering, behandles. ”
Når det bruges af hensyn til kvanteunderstøttede teleskoper, ville ideen være at skabe en konstant strøm af sammenfiltrede par. Mens den ene af de parrede partikler befandt sig ved teleskopet, ville den anden rejse til det centrale interferometer. Når en foton ankommer fra en fjern stjerne, interagerer den med et af dette par og teleporteres straks til interferometeret for at skabe et billede.
Ved hjælp af denne metode kan der oprettes billeder med de tab, der opstår ved normale interferometre. Ideen blev først foreslået i 2011 af Gottesman, Jennewein og Croke fra University of Waterloo. På det tidspunkt forstod de og andre forskere, at konceptet ville være nødvendigt at generere et sammenfiltret par for hvert indkommende foton, som er i størrelsesordenen billioner par pr. Sekund.
Dette var simpelthen ikke muligt ved hjælp af den nuværende teknologi; men takket være den nylige udvikling inden for kvanteberegning og opbevaring er det muligvis nu muligt. Som Borregaard anførte:
”[W]skitserer, hvordan lyset kan komprimeres til små kvantehukommelser, der bevarer kvanteinformationen. Sådanne kvantehukommelser kunne bestå af atomer, der interagerer med lyset. Teknikker til at overføre kvantetilstanden for en lyspuls til et atom er allerede blevet demonstreret et antal gange i eksperimenter. Som et resultat af komprimering i hukommelsen bruger vi betydeligt færre sammenfiltrede par sammenlignet med hukommelsesfrie skemaer som den af Gottesman et al. For eksempel, for en stjerne i styrke 10 og målebåndbredde på 10 GHz, kræver vores skema ~ 200 kHz sammenfiltringshastighed ved hjælp af en 20-qubit hukommelse i stedet for 10 GHz før. Sådanne specifikationer er mulige med den nuværende teknologi, og svagere stjerner ville resultere i endnu større besparelser med kun lidt større minder. ”
Denne metode kan føre til nogle helt nye muligheder, når det kommer til astronomisk billeddannelse. For det første vil det dramatisk øge opløsningen af billeder og måske gøre det muligt for arrays at opnå opløsninger, der svarer til en 30 km spejl. Derudover kunne det give astronomer mulighed for at opdage og studere eksoplaneter ved hjælp af den direkte billeddannelsesteknik med opløsninger ned til mikro-arsekundniveauet.
”Den nuværende rekord er omkring milli-buesekunder,” sagde Borregaard. ”En sådan stigning i opløsningen vil give astronomer adgang til et antal nye astronomiske grænser, der spænder fra at bestemme egenskaber ved planetariske systemer til at studere cepheider og interagere binære ... Af interesse for astronomiske teleskopdesignere ville vores skema være velegnet til implementering i rummet, hvor stabilisering er mindre problematisk. Et pladsbaseret optisk teleskop i størrelsesordenen 10 ^ 4 kilometer ville faktisk være meget kraftfuldt. ”
I de kommende årtier er mange næste generations rum- og jordbaserede observatorier indstillet til at blive bygget eller indsat. Allerede forventes disse instrumenter at tilbyde stærkt øget opløsning og kapacitet. Med tilføjelsen af kvanteassisteret teknologi kan disse observatorier måske endda være i stand til at løse mysterierne med mørkt stof og mørk energi og studere ekstrasolplaneter i forbløffende detaljer.
Holdets undersøgelse, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", dukkede for nylig online. Foruden Khabiboulline og Borregaard blev undersøgelsen medforfatter af Kristiaan De Greve (en Harvard-postdoktor) og Mikhail Lukin - en Harvard-professor i fysik og leder af Lukin-gruppen ved Harvards Quantum Optics Laboratory.
