Новая квантовая технология может позволить построить телескопы размером с Землю

В астрономии происходит революция. На самом деле, можно сказать, что их много. За последние 10 лет исследования экзопланет значительно продвинулись вперед, гравитационно-волновая астрономия стала новой областью, и были получены первые изображения сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Он также продвигает смежную область, интерферометрию, с невероятно чувствительными инструментами и возможностью обмениваться и объединять данные из обсерваторий по всему миру. В частности, наука об очень длинной фундаментальной интерферометрии (РСДБ) открывает совершенно новые области возможностей.

Согласно недавнему исследованию исследователей из Австралии и Сингапура, новая квантовая технология может улучшить оптическую РСДБ. Он известен как стимулированный рамановский адиабатический проход (STIRAP), который позволяет передавать квантовую информацию без потерь. Эта технология, напечатанная в коде квантовой коррекции ошибок, позволяет проводить РСДБ-наблюдения на ранее недоступных длинах волн. В сочетании с инструментами следующего поколения эта технология может позволить более детально изучать черные дыры, экзопланеты, Солнечную систему и поверхности далеких звезд.

Исследование возглавил Zixin Huang, научный сотрудник с докторской степенью в Центре инженерных квантовых систем (EQuS) Университета Маккуори в Сиднее, Австралия. К ней присоединились Гэвин Бреннан, профессор теоретической физики факультета электротехники и вычислительной техники и Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура (NUS), и Инкай Уян, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий. в НУС.

Удалите всю рекламу во Вселенной сегодня

Присоединяйтесь к Patreon всего за 3 доллара!

Получите опыт без рекламы на всю жизнь

Чтобы было ясно, технология интерферометрии состоит из объединения света от разных телескопов для создания изображений объекта, которые в противном случае было бы трудно разрешить. Сверхдлинная фундаментальная интерферометрия относится к специфической методике, используемой в радиоастрономии, в которой сигналы от астрономического радиоисточника (черные дыры, квазары, пульсары, туманности звездообразования и т. д.) объединяются для создания подробных изображений их структуры и активности. В последние годы РСДБ произвела наиболее подробные изображения звезд, вращающихся вокруг Стрельца A* (Sgr A*), SMBH в центре нашей галактики (см. выше).

Это также позволило астрономам в сотрудничестве с Event Horizon Telescope (EHT) сделать первое изображение черной дыры (M87*) и самого Sgr A*! Но, как они отмечают в своем исследовании, классической интерферометрии по-прежнему препятствуют многие физические ограничения, в том числе потеря информации, шум и тот факт, что получаемый свет обычно имеет квантовую природу (в которой фотоны запутаны). Устранив эти ограничения, РСДБ можно использовать для выполнения более точных астрономических исследований. Доктор Хуан сказал Universe Today по электронной почте:

Современные большие платформы обработки изображений работают в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Для достижения оптической интерферометрии все части интерферометра должны быть стабильными в пределах долей длины волны света, чтобы свет мог интерферировать. На больших расстояниях это сделать очень сложно: источники шума могут исходить от самого устройства, теплового расширения и сжатия, вибрации и т.п.; Кроме того, есть потери, связанные с оптическими элементами».

Идея этого направления исследований состоит в том, чтобы позволить нам переключиться на оптические частоты микроволн; Эти методы в равной степени применимы к инфракрасному излучению. Мы уже можем проводить масштабную фундаментальную интерферометрию в микроволновом диапазоне. Однако эта задача становится очень сложной на оптических частотах, потому что даже самая быстрая электроника не может напрямую измерять колебания электрического поля на этих частотах».

Вид с воздуха на обсерваторию Паранал, показывающий четыре 8,2-метровых единичных телескопа (UT) и различные установки интерферометра VLT (VLTI). 1 кредит

По словам доктора Хуанга и его коллег, ключом к преодолению этих ограничений является использование методов квантовой связи, таких как стимулирование адиабатического рамановского пути. STIRAP состоит из использования двух взаимосвязанных световых импульсов для передачи оптической информации между двумя жизнеспособными квантовыми состояниями. По словам Хуанга, применительно к РСДБ это позволит эффективно и избирательно перемещать заселенность между квантовыми состояниями, не страдая от обычных проблем шума или потерь.

Как они описывают в своей статье («Визуализация звезд с квантовой коррекцией ошибок»), процесс, который они представляют, включает когерентное соединение звездного света с неизлучающими «темными» атомными состояниями. Следующий шаг, по словам Хуанга, — связать свет с квантовой коррекцией ошибок (QEC), методом, используемым в квантовых вычислениях для защиты квантовой информации от ошибок из-за декогеренции и других «квантовых шумов». Но, как указывает Хуанг, этот же метод может обеспечить более подробную и точную интерферометрию:

“Чтобы имитировать большие оптические интерферометры, свет должен собираться и обрабатываться когерентно, и мы предлагаем использовать квантовую коррекцию ошибок, чтобы уменьшить ошибки из-за потерь и шума в процессе. Квантовая коррекция ошибок – это быстро развивающаяся область, в первую очередь ориентированная на обеспечение масштабируемых квантовых вычислений в наличие ошибок». В сочетании с предварительно распределенной запутанностью мы можем выполнять процессы, которые извлекают необходимую нам информацию из звездного света, блокируя шум».

Чтобы проверить свою теорию, команда рассмотрела сценарий, в котором два объекта (Алиса и Боб), разделенные большими расстояниями, собирают астрономический свет. Каждый из них разделяет предварительно распределенную запутанность и содержит «квантовую память», в которую улавливается свет, и каждый терминал подготавливает свой собственный набор квантовых данных (кубитов) в некотором коде QEC. Полученные квантовые состояния затем распечатываются декодером в общий код QEC, который защищает данные от последующих зашумленных операций.

Обзор протокола STIRAP, предложенного доктором Хуангом и его коллегами. Предоставлено: Huang, Z. et al. (2022)

На этапе «кодирования» сигнал фиксируется в квантовой памяти с помощью технологии STIRAP, которая позволяет входящему свету когерентно связываться с неизлучающим состоянием атома. Возможность улавливать свет от астрономических источников, которые интерпретируют квантовые состояния (и устраняют квантовый шум и потерю информации), была бы изменением в интерферометрии. Кроме того, эти усовершенствования будут иметь серьезные последствия для других областей астрономии, которые также претерпевают сегодня революционные изменения.

«Переключившись на оптические частоты, эта сеть квантовых изображений улучшит разрешение изображений на три-пять порядков», — сказал Хуанг. «Его мощности было бы достаточно для изображения малых планет вокруг ближайших звезд, деталей солнечных систем, кинетики звездных поверхностей, аккреционных дисков и, возможно, подробностей о горизонтах событий черных дыр — и ни один запланированный в настоящее время проект не может решить эту проблему».

В ближайшем будущем Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) будет использовать свой усовершенствованный набор инструментов инфракрасного изображения, чтобы охарактеризовать атмосферы экзопланет, как никогда раньше. То же самое верно и для наземных обсерваторий, таких как Очень Большой Телескоп (ELT), Гигантский Магелланов Телескоп (GMT) и Тридцатиметровый Телескоп (TMT). Помимо больших главных зеркал, адаптивной оптики, коронарных позвонков и спектрометров, эти обсерватории позволят проводить прямые исследования изображений экзопланет, предоставляя ценную информацию об их поверхностях и атмосферах.

Воспользовавшись преимуществами новых квантовых технологий и интегрировав их с РСДБ, обсерватории получат еще один способ получать изображения некоторых из самых недоступных и труднодоступных объектов в нашем мире. Секреты, которые это может раскрыть, определенно будут (в последний раз, обещаю!) революционными!

Углубленное чтение: arXiv

Leave a Comment