Teleskoobid on viimastel sajanditel jõudnud kaugele. Astronoomide nagu Galileo Galilei ja Johannes Kepleri ehitatud suhteliselt tagasihoidlikest seadmetest on teleskoobid muutunud massiivseteks instrumentideks, mille kasutamiseks on vaja tervet rajatist ning nende käitamiseks tervet meeskonda ja arvutivõrku. Ja lähiaastatel ehitatakse palju suuremaid observatooriume, mis saavad veelgi rohkem ära teha.
Kahjuks on sellel suuremate ja suuremate instrumentide suundumusel palju puudusi. Alustuseks vajavad üha suuremad vaatluskeskused kas üha suuremaid peegleid või paljusid koos töötavaid teleskoope - mõlemad on kallid väljavaated. Õnneks on MITi meeskond teinud ettepaneku ühendada interferomeetria kvantteleportatsiooniga, mis võib massiivide eraldusvõimet märkimisväärselt suurendada ilma suurematele peeglitele tuginemata.
Lihtsustatult öeldes on interferomeetria protsess, kus valgus saadakse mitme väiksema teleskoobi abil ja seejärel kombineeritakse, et rekonstrueerida pilte, mida nad vaatasid. Seda protsessi kasutavad sellised rajatised nagu Tšiilis asuv väga suur teleskoobi interferomeeter (VLTI) ja Californias kõrgnurkse lahutusega astronoomia keskus (CHARA).
Esimene tugineb neljale 8,2 m (27 jalga) peamisele peeglile ja neljale teisaldatavale 1,8 m (5,9 jalga) lisateleskoobile - see annab selle eraldusvõime 140 m (460 jalga) peeglile -, samas kui teine tugineb kuuele ühe meetrile teleskoop, mis annab sellele eraldusvõime, mis võrdub 330 m (1083 jalga) peegliga. Lühidalt, interferomeetria võimaldab teleskoobimassiividel saada suurema eraldusvõimega pilte, kui see muidu oleks võimalik.
Üks puudusi on see, et footonid kaovad edastusprotsessi käigus vältimatult. Seetõttu saab massiive nagu VLTI ja CHARA kasutada ainult heledate tähtede vaatamiseks ning suuremate massiivide ehitamine selle kompenseerimiseks tõstatab taas kulude küsimuse. Nagu ütles Johannes Borregaard - Kopenhaageni ülikooli kvantteooria matemaatika keskuse (QMATH) järeldoktor ja kaasautor - rääkis ajakiri Space Magazine e-postiga:
„Astronoomilise pildistamise üks väljakutse on hea eraldusvõime saavutamine. Eraldusvõime on mõõt, mis näitab, kui väikesed omadused teil on pildistamiseks, ja selle määrab lõpuks kogutava valguse lainepikkuse ja teie seadme suuruse suhe (Rayleigh'i piir). Teleskoobi massiivid toimivad ühe hiiglasliku seadmena ja mida suurem on massiiv, seda parema eraldusvõime saate. ”
Kuid loomulikult on see väga kulukas. Näiteks Tšiilis Atacama kõrbesse praegu ehitatav Äärmiselt suur teleskoop on maailma suurim optiline ja lähi-infrapunane teleskoop. Esmakordselt 2012. aastal ettepaneku esitamisel osutas ESO, et projekti maksumus põhineb 2012. aasta hindadel umbes miljard eurot (1,12 miljardit dollarit). Inflatsiooniga kohandatud, mis ulatub 2018. aastal 1,23 miljardi dollarini ja 2024. aastaks, kui ehituse kavandatud lõpuleviimine on umbes 1,47 miljardit dollarit (eeldades, et inflatsioonimäär on 3%).
"Lisaks ei ole astronoomilised allikad sageli optilises režiimis eriti eredad," lisas Borregaard. “Ehkki esimese vastu võitlemiseks on olemas mitmeid klassikalisi stabiliseerimistehnikaid, tekitab viimane põhiprobleeme, kuidas teleskoobi massiive tavaliselt töötatakse. Tavameetod valguse lokaalseks registreerimiseks igal teleskoobil tekitab liiga palju müra, et töötada nõrkade valgusallikate jaoks. Selle tulemusel töötavad kõik praegused optiliste teleskoopide massiivid, ühendades erinevate teleskoopide valguse otse ühes mõõtejaamas. Makstav hind on mõõtmisjaama edastatava valguse sumbumine. See kaotus on tõsine piirang väga suurte teleskoobimassiivide ehitamisel optilises režiimis (praeguste optiliste massiivide suurused on maksimaalselt ~ 300 m) ja see piirab lõpuks eraldusvõimet, kui tõhusad stabiliseerimistehnikad on paigas. "
Selleks soovitab Harvardi meeskond - eesotsas Harvardi füüsikaosakonna magistrandi Emil Khabiboulline'iga - tugineda kvantteleportatsioonile. Kvantfüüsikas kirjeldab teleportatsioon protsessi, mille käigus osakeste omadused kantakse kvant-takerdumise teel ühest kohast teise. See, nagu Borregard selgitab, võimaldab piltide loomist ilma tavaliste interferomeetritega tekkivate kadudeta:
„Üks peamisi tähelepanekuid on see, et takerdumine, kvantmehaanika omadus, võimaldab meil kvant olekut saata ühest asukohast teise ilma seda füüsiliselt edastamata protsessis, mida nimetatakse kvantteleporteerimiseks. Siin saab teleskoopide valgust "teleportida" mõõtejaama, vältides sellega kogu edastuskaod. See meetod võimaldaks põhimõtteliselt suvalise suurusega massiive, eeldades, et tegeletakse muude probleemidega, näiteks stabiliseerimisega. "
Kvantkinnitusega teleskoopide huvides oleks mõte luua pidev takerdunud paaride voog. Sel ajal, kui üks paaritud osakestest paikneks teleskoobi juures, liiguks teine keskinterferomeetri juurde. Kui kaugelt tähelt saabub footon, suhtleb see ühega sellest paarist ja teleporteeritakse pildi loomiseks kohe interferomeetrisse.
Seda meetodit kasutades saab luua pilte tavaliste interferomeetritega kaasnevate kadudega. Ideed pakkusid esmakordselt välja 2011. aastal Gottesman, Jennewein ja Waterloo ülikooli Croke. Sel ajal mõistsid nad ja teised uurijad, et kontseptsioon peaks genereerima takerduva paari iga sissetuleva footoni jaoks, mis on suurusjärgus triljoneid paari sekundis.
Toonase tehnoloogia abil polnud see lihtsalt võimalik; kuid tänu kvantarvutuste ja -talletuse hiljutistele arengutele võib see nüüd võimalik olla. Nagu Borregaard märkis:
“[W]Visandage, kuidas valgust saab tihendada väikesteks kvantmälestusteks, mis säilitavad kvantteavet. Sellised kvantmälud võiksid koosneda aatomitest, mis interakteeruvad valgusega. Kerge impulsi kvantoleku aatomiks ülekandmise tehnikaid on katsetes juba mitu korda näidatud. Mällu pakkimise tulemusel kasutame märkimisväärselt vähem takerdunud paare, võrreldes mäluvabade skeemidega, nagu näiteks Gottesman jt. Näiteks 10-magnituudise tähe ja mõõteribalaiuse 10 GHz jaoks nõuab meie skeem ~ 200 kHz kinnijäämissagedust, kasutades 20-bitist mälu, mitte 10 GHz. Sellised spetsifikatsioonid on praeguse tehnoloogiaga teostatavad ja õhemad tähed tooksid veelgi suurema kokkuhoiu vaid pisut suuremate mäludega. ”
See meetod võib astronoomilise pildistamise jaoks tuua kaasa täiesti uusi võimalusi. Ühe jaoks suurendab see dramaatiliselt piltide eraldusvõimet ja võib-olla võimaldab massiividel saavutada eraldusvõime, mis on samaväärne 30 km peegli eraldusvõimega. Lisaks võiks see võimaldada astronoomidel eksoplaneete tuvastada ja uurida, kasutades otsest pilditehnikat eraldusvõimega kuni mikrosekundite tasemeni.
"Praegune rekord on umbes miljon kaaresekundit," ütles Borregaard. "Selline eraldusvõime suurenemine võimaldab astronoomidel pääseda juurde paljudele uudsetele astronoomilistele piiridele, alates planeedisüsteemide karakteristikute määramisest kuni kefeiidide uurimise ja interakteeruvate binaarideni ... Astronoomilise teleskoobi kujundajatele huvipakkuv meie skeem sobiks hästi kosmoses rakendamiseks, kus stabiliseerimine on vähem probleem. Kosmosepõhine optiline teleskoop mõõtkavas 10–4 kilomeetrit oleks tõesti väga võimas. ”
Järgmistel aastakümnetel on kavas ehitada või kasutusele võtta palju järgmise põlvkonna kosmose- ja maapealseid vaatluskeskusi. Juba eeldatakse, et need instrumendid pakuvad märkimisväärselt suuremat eraldusvõimet ja võimekust. Kvanttehnoloogia lisamisega võiksid need observatooriumid isegi lahendada tumeda aine ja tumeda energia saladused ning uurida päikesepoolseid planeete hämmastavalt detailselt.
Meeskonna uuring “Quantum-Assisted Telescope Arrays” ilmus hiljuti veebis. Lisaks Khabiboulline'ile ja Borregaardile olid uuringu kaasautoriteks Kristiaan De Greve (Harvardi järeldoktorikaaslane) ja Mihhail Lukin - Harvardi füüsikaprofessor ja Harvardi Quantum Optics Laboratory Lukini rühma juht.
