Новая квантовая технология позволит строить телескопы размером с Землю
В астрономии происходит революция. На самом деле можно сказать, что их несколько. За последние 10 лет исследования экзопланет значительно продвинулись вперед, гравитационно-волновая астрономия стала новой областью, и были получены первые изображения сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Родственная область, интерферометрия, также невероятно продвинулась благодаря высокочувствительным инструментам и возможности обмениваться и объединять данные из обсерваторий по всему миру. В частности, наука об интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) открывает совершенно новые возможности.
Согласно недавнему исследованию исследователей из Австралии и Сингапура, новая квантовая техника может улучшить оптическую РСДБ. Он известен как стимулированный рамановский адиабатический проход (STIRAP), который позволяет передавать квантовую информацию без потерь. При внедрении в код квантовой коррекции ошибок этот метод может позволить проводить РСДБ-наблюдения на ранее недоступных длинах волн. После интеграции с инструментами следующего поколения этот метод может позволить более детально изучать черные дыры, экзопланеты, Солнечную систему и поверхности далеких звезд. Исследование возглавил Zixin Huang, научный сотрудник Центра инженерных квантовых систем (EQuS) Университета Маккуори в Сиднее, Австралия. К ней присоединились Гэвин Бреннан, профессор теоретической физики с факультета электротехники и вычислительной техники и Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура (NUS), и Инкай Оуян, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий. в НУС.
Проще говоря, метод интерферометрии состоит в объединении света от нескольких телескопов для создания изображений объекта, которые в противном случае было бы слишком сложно разрешить. Интерферометрия со сверхдлинной базой относится к особой методике, используемой в радиоастрономии, при которой сигналы от астрономических радиоисточников (черных дыр, квазаров, пульсаров, туманностей звездообразования и т. д.) объединяются для создания подробных изображений их структуры и активности. В последние годы РСДБ дала наиболее подробные изображения звезд, вращающихся вокруг Стрельца A* (Sgr A*), сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики (см. выше).
Это также позволило астрономам из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) сделать первое изображение черной дыры (M87*) и самого Sgr A*. Но, как они указали в своем исследовании, классической интерферометрии все еще мешают несколько физических ограничений, включая потерю информации, шум и тот факт, что получаемый свет обычно имеет квантовую природу (где фотоны запутаны). Устранив эти ограничения, РСДБ можно было бы использовать для гораздо более точных астрономических исследований. Сказал доктор Хуан вселенной Сегодня по электронной почте:
«Современные современные системы визуализации с большой базой работают в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Для реализации оптической интерферометрии необходимо, чтобы все части интерферометра были стабильны с точностью до доли длины волны света, поэтому свет может мешать. Это очень сложно сделать на больших расстояниях: источники шума могут исходить от самого прибора, теплового расширения и сжатия, вибрации и т.д., плюс ко всему есть потери, связанные с оптическими элементами».
«Идея этого направления исследований состоит в том, чтобы позволить нам перейти к оптическим частотам из микроволн; эти методы в равной степени применимы к инфракрасному излучению. Мы уже можем проводить интерферометрию с большой базой в микроволновом диапазоне. Однако эта задача становится очень сложной в оптических частотах. , потому что даже самая быстрая электроника не может напрямую измерить колебания электрического поля на этих частотах».
По словам доктора Хуан и ее коллег, ключом к преодолению этих ограничений является использование методов квантовой связи, таких как стимулированный рамановский адиабатический проход. STIRAP состоит из использования двух когерентных световых импульсов для передачи оптической информации между двумя применимыми квантовыми состояниями. По словам Хуанга, применительно к РСДБ это позволит эффективно и избирательно перемещать население между квантовыми состояниями, не страдая от обычных проблем шума или потерь.
Как они описывают в своей статье «Изображение звезд с квантовой коррекцией ошибок», процесс, который они предполагают, будет включать когерентное связывание звездного света с «темными» атомными состояниями, которые не излучают. Следующий шаг, по словам Хуанга, состоит в том, чтобы соединить 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 большой оптический интерферометр, свет должен собираться и обрабатываться когерентно, и мы предлагаем использовать квантовую коррекцию ошибок для уменьшения ошибок, связанных с потерями и шумом в этом процессе. Квантовая коррекция ошибок — это быстро развивающаяся область, в основном ориентированная на обеспечение квантовые вычисления при наличии ошибок. В сочетании с предварительно распределенной запутанностью мы можем выполнять операции, которые извлекают нужную нам информацию из звездного света, подавляя при этом шум».
Чтобы проверить свою теорию, команда рассмотрела сценарий, в котором два объекта (Алиса и Боб), разделенные большими расстояниями, собирают астрономический свет. Каждый разделяет предварительно распределенную запутанность и содержит «квантовую память», в которую улавливается свет, и каждый готовит свой собственный набор квантовых данных (кубитов) в некоторый код QEC. Полученные квантовые состояния затем впечатываются в общий код QEC декодером, который защищает данные от последующих зашумленных операций.
На этапе «кодировщика» сигнал захватывается в квантовую память с помощью метода STIRAP, который позволяет когерентно связывать входящий свет с безызлучательным состоянием атома. Возможность улавливать свет от астрономических источников, которые учитывают квантовые состояния (и устраняют квантовый шум и потерю информации), может изменить правила игры для интерферометрии. Более того, эти усовершенствования будут иметь серьезные последствия для других областей астрономии, которые сегодня также претерпевают революционные изменения.
«Переходя на оптические частоты, такая сеть квантовых изображений улучшит разрешение изображения на три-пять порядков», — сказал Хуанг. «Его мощности было бы достаточно для изображения малых планет вокруг ближайших звезд, деталей солнечных систем, кинематики звездных поверхностей, аккреционных дисков и потенциально деталей вокруг горизонтов событий черных дыр — ни один из запланированных в настоящее время проектов не может разрешить».
В ближайшем будущем космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) будет использовать свой усовершенствованный набор инструментов для инфракрасных изображений, чтобы охарактеризовать атмосферу экзопланеты, как никогда раньше. То же самое верно и для наземных обсерваторий, таких как Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT), Гигантский Магелланов Телескоп (GMT) и Тридцатиметровый Телескоп (TMT). Благодаря своим большим главным зеркалам, адаптивной оптике, коронографам и спектрометрам эти обсерватории позволят проводить исследования экзопланет методом прямой визуализации, предоставляя ценную информацию об их поверхности и атмосфере. Воспользовавшись преимуществами новых квантовых методов и интегрировав их с РСДБ, обсерватории получат еще один способ получать изображения некоторых из самых недоступных и труднодоступных объектов в нашей Вселенной.
