Teleskopy prešli v posledných niekoľkých storočiach dlhou cestou. Z pomerne skromných zariadení postavených astronómami, ako sú Galileo Galilei a Johannes Kepler, sa vyvinuli ďalekohľady, aby sa stali obrovskými nástrojmi, ktoré si vyžadujú celé zariadenie na ich umiestnenie a plnú posádku a sieť počítačov na ich prevádzku. A v nasledujúcich rokoch budú vybudované oveľa väčšie observatóriá, ktoré dokážu urobiť ešte viac.
Tento trend smerom k väčším a väčším nástrojom má, žiaľ, mnoho nevýhod. Pre začiatočníkov si stále väčšie observatóriá vyžadujú buď stále väčšie zrkadlá alebo veľa ďalekohľadov, z ktorých obidve sú drahými vyhliadkami. Našťastie tím z MIT navrhol kombináciu interferometrie s kvantovou teleportáciou, ktorá by mohla výrazne zvýšiť rozlíšenie polí bez spoliehania sa na väčšie zrkadlá.
Zjednodušene povedané, interferometria je proces, pri ktorom sa svetlo získava pomocou viacerých menších ďalekohľadov a potom sa kombinuje, aby sa rekonštruovali obrazy toho, čo pozorovali. Tento proces používajú také zariadenia, ako je veľmi veľký teleskopický interferón (VLTI) v Čile a Centrum pre astronómiu s vysokým uhlovým rozlíšením (CHARA) v Kalifornii.
Prvý z nich sa opiera o štyri hlavné zrkadlá 8,2 m (27 ft) a štyri pohyblivé 1,8 m (5,9 ft) pomocné ďalekohľady - čo mu dáva rozlíšenie ekvivalentné zrkadlu 140 m (460 ft) - zatiaľ čo druhé sa spolieha na šesť jedného metra ďalekohľad, ktorý mu dáva rozlíšenie rovnocenné zrkadlu 330 m (1083 ft). V skratke, interferometria umožňuje teleskopickým poliam vytvárať obrazy s vyšším rozlíšením, ako by bolo inak možné.
Jednou z nevýhod je to, že počas prenosu sa fotóny nevyhnutne stratia. Výsledkom je, že polia ako VLTI a CHARA sa dajú použiť iba na zobrazenie jasných hviezd. Budovanie väčších polí na kompenzáciu tohto problému opäť zvyšuje otázku nákladov. Ako Johannes Borregaard - postdoktorandský kolega v Kodanskom univerzitnom centre pre matematiku kvantovej teórie (QMATH) a spoluautor na papieri - povedal časopisu Space Magazine e-mailom:
„Jednou z výziev astronomického zobrazovania je dosiahnuť dobré rozlíšenie. Rozlíšenie je mierou toho, aké malé sú funkcie, ktoré môžete zobraziť, a nakoniec je určené pomerom medzi vlnovou dĺžkou zozbieraného svetla a veľkosťou vášho prístroja (Rayleighov limit). Polia ďalekohľadu fungujú ako jeden obrovský aparát a čím väčšie pole vytvárate, tým lepšie rozlíšenie získate. “
Ale to samozrejme stojí za veľmi vysoké náklady. Napríklad extrémne veľký ďalekohľad, ktorý sa v súčasnosti buduje v púšti Atacama v Čile, bude najväčším optickým a takmer infračerveným ďalekohľadom na svete. Keď sa ESO prvýkrát navrhol v roku 2012, uviedol, že projekt bude stáť približne 1 miliardu EUR (1,12 miliardy USD) na základe cien v roku 2012. Po očistení o infláciu sa v roku 2018 dosiahne 1,23 miliárd dolárov a do roku 2024, keď sa plánuje dokončenie výstavby, zhruba 1,47 miliárd dolárov (za predpokladu miery inflácie 3%).
"Astronomické zdroje navyše často nie sú príliš optické v optickom režime," dodal Borregaard. „Aj keď existuje množstvo klasických stabilizačných techník na riešenie prvého, predstavuje to zásadný problém v tom, ako sa bežne používajú teleskopické polia. Štandardná technika lokálneho zaznamenávania svetla na každom ďalekohľade vedie k príliš veľkému šumu na prácu pre slabé zdroje svetla. Výsledkom je, že všetky súčasné polia optických ďalekohľadov pracujú kombináciou svetla z rôznych ďalekohľadov priamo v jednej meracej stanici. Cena, ktorú treba zaplatiť, je útlm svetla pri prenose na meraciu stanicu. Táto strata je vážnym obmedzením pri konštrukcii veľmi veľkých polí ďalekohľadov v optickom režime (súčasné optické polia majú veľkosť max. ~ 300 m) a po zavedení účinných stabilizačných techník nakoniec obmedzia rozlíšenie. “
Harvardský tím - vedený Emil Khabiboulline, postgraduálnym študentom Katedry fyziky Harvardu - navrhuje spoliehať sa na kvantovú teleportáciu. V kvantovej fyzike teleportácia opisuje proces, v ktorom sa vlastnosti častíc prenášajú z jedného miesta na druhé prostredníctvom kvantového zapletenia. To, ako vysvetľuje Borregard, by umožnilo vytvorenie obrázkov bez strát, ktoré sa vyskytujú pri bežných interferometroch:
„Jedným z kľúčových pozorovaní je to zapletenie, vlastnosť kvantovej mechaniky, umožňuje nám poslať kvantový stav z jedného miesta na druhé bez fyzického prenosu, v procese nazývanom kvantová teleportácia. Tu môže byť svetlo z ďalekohľadov „teleportované“ do meracej stanice, čím sa obchádza všetka strata prenosu. Táto technika by v zásade umožňovala ľubovoľne veľké polia za predpokladu, že sa budú riešiť aj iné problémy, ako napríklad stabilizácia. “
Pri použití na účely kvantovo-podporovaných ďalekohľadov by bola myšlienka vytvoriť stály prúd zapletených párov. Zatiaľ čo jedna zo spárovaných častíc by mala zostať v ďalekohľade, druhá by putovala do centrálneho interferometra. Keď fotón dorazí zo vzdialenej hviezdy, bude interagovať s jedným z týchto párov a okamžite sa teleportuje na interferometer, aby sa vytvoril obraz.
Použitím tejto metódy je možné vytvárať snímky so stratami, ktoré sa vyskytujú pri bežných interferometroch. Myšlienku prvýkrát navrhli v roku 2011 Gottesman, Jennewein a Croke z University of Waterloo. V tom čase vedci a ďalší vedci pochopili, že tento koncept bude musieť pre každý prichádzajúci fotón vytvoriť spletený pár, ktorý je rádovo biliónov párov za sekundu.
To jednoducho nebolo možné pomocou vtedajšej technológie; ale vďaka najnovšiemu vývoju v kvantovom výpočte a ukladaní údajov to teraz bude možné. Ako uviedol Borregaard:
"[W]Načrtnite, ako môže byť svetlo stlačené do malých kvantových pamätí, ktoré uchovávajú kvantové informácie. Takéto kvantové spomienky by mohli pozostávať z atómov, ktoré interagujú so svetlom. Techniky na prenos kvantového stavu svetelného impulzu do atómu už boli niekoľkokrát demonštrované v experimentoch. V dôsledku kompresie do pamäte spotrebujeme výrazne menej zapletených párov v porovnaní so schémami bez pamäti, ako je napríklad schéma od Gottesman et al. Napríklad pre hviezdu s veľkosťou 10 a šírku pásma merania 10 GHz naša schéma vyžaduje ~ 200 kHz rýchlosti zapletenia pomocou 20-bitovej pamäte namiesto 10 GHz predtým. Takéto špecifikácie sú uskutočniteľné so súčasnou technológiou a slabšie hviezdy by viedli k ešte väčším úsporám iba s mierne väčšími spomienkami. “
Táto metóda by mohla viesť k niektorým úplne novým príležitostiam, pokiaľ ide o astronomické zobrazovanie. Jednak to dramaticky zvýši rozlíšenie obrázkov a možno umožní poliam dosiahnuť rozlíšenia, ktoré sú rovnocenné rozlíšeniu 30 km zrkadla. Okrem toho by to mohlo astronómom umožniť detekovať a študovať exoplanety pomocou techniky priameho zobrazovania s rozlíšením až na úroveň mikrosekúnd.
"Aktuálny rekord je okolo milisekúnd," uviedol Borregaard. „Takéto zvýšenie rozlíšenia umožní astronómom prístup k množstvu nových astronomických hraníc, od určovania charakteristík planétových systémov až po štúdium hlavonožcov a interagujúcich binárnych súborov. kde stabilizácia nie je problémom. Vesmírny optický ďalekohľad na stupnici 10 až 4 kilometrov by bol skutočne veľmi silný. ““
V nadchádzajúcich desaťročiach bude postavených alebo nasadených mnoho vesmírnych a pozemných observatórií budúcej generácie. Očakáva sa, že tieto nástroje už ponúkajú výrazne väčšie rozlíšenie a schopnosti. S pridaním kvantovej technológie môžu tieto observatóriá dokonca byť schopné vyriešiť záhady temnej hmoty a temnej energie a študovať extra solárne planéty v úžasných detailoch.
Štúdia tímu s názvom „Quantum-Assisted Telescope Arrays“ sa nedávno objavila online. Štúdiu okrem Khabiboulline a Borregaardu napísali aj Kristiaan De Greve (postgraduálny kolega z Harvardu) a Michail Lukin - profesor fyziky Harvardu a vedúci skupiny Lukin v Harvardovom kvantovom optickom laboratóriu.
