Το κβαντικό πείραμα διπλής σχισμής προσφέρει ελπίδα για το τηλεσκόπιο μεγέθους Γης

Φανταστείτε ότι μπορείτε να δείτε την επιφάνεια ενός πλανήτη που μοιάζει με τη Γη να περιστρέφεται γύρω από ένα άλλο αστέρι ή να παρακολουθείτε ένα αστέρι να τεμαχίζεται από μια μαύρη τρύπα.

Τέτοιες ακριβείς παρατηρήσεις είναι επί του παρόντος αδύνατες. Ωστόσο, οι επιστήμονες προτείνουν τρόπους για την κβαντική μηχανική σύνδεση των οπτικών τηλεσκοπίων σε όλο τον κόσμο, προκειμένου να δουν το σύμπαν σε ένα εκπληκτικό επίπεδο λεπτομέρειας.

Το κόλπο είναι να μεταφέρουμε εύθραυστα φωτόνια μεταξύ των τηλεσκοπίων, έτσι ώστε τα σήματα να μπορούν να συνδυαστούν ή να «παρεμβαστούν», για να δημιουργήσουν πολύ πιο ευκρινείς εικόνες. Οι ερευνητές γνώριζαν εδώ και χρόνια ότι αυτού του είδους η συμβολομετρία θα ήταν δυνατή με ένα φουτουριστικό δίκτυο συσκευών τηλεμεταφοράς που ονομάζεται κβαντικό Διαδίκτυο. Ωστόσο, ενώ το κβαντικό Διαδίκτυο είναι ένα μακρινό όνειρο, μια νέα πρόταση παρουσιάζει ένα σχέδιο για την πραγματοποίηση οπτικής παρεμβολής με συσκευές κβαντικής αποθήκευσης που βρίσκονται υπό ανάπτυξη τώρα.

Η προσέγγιση θα αντιπροσωπεύει το επόμενο στάδιο της εμμονής της αστρονομίας με το μέγεθος. Οι ευρύτεροι καθρέφτες δημιουργούν πιο ευκρινείς εικόνες, έτσι οι αστρονόμοι σχεδιάζουν συνεχώς ολοένα μεγαλύτερα τηλεσκόπια και βλέπουν να ξεδιπλώνονται περισσότερες λεπτομέρειες του σύμπαντος. Σήμερα κατασκευάζουν ένα οπτικό τηλεσκόπιο με έναν καθρέφτη πλάτους σχεδόν 40 μέτρων, 16 φορές το πλάτος (και επομένως την ανάλυση) του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Αλλά υπάρχει ένα όριο στο πόσο μπορούν να μεγαλώσουν οι καθρέφτες.

«Δεν πρόκειται να κατασκευάσουμε τηλεσκόπιο 100 μέτρων με ένα διάφραγμα. Αυτό είναι τρελό!" είπε η Λίζα Πράτο, αστρονόμος στο Αστεροσκοπείο Λόουελ στην Αριζόνα. «Ποιο είναι λοιπόν το μέλλον; Η συμβολομετρία του μέλλοντος."

Τηλεσκόπιο μεγέθους Γης

Οι αστρονόμοι του ραδιοφώνου κάνουν συμβολομετρία εδώ και δεκαετίες. Η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας, που κυκλοφόρησε το 2019, έγινε με συγχρονισμό σημάτων που έφτασαν σε οκτώ ραδιοτηλεσκόπια διάσπαρτα σε όλο τον κόσμο. Συλλογικά, τα τηλεσκόπια είχαν τη διακριτική ικανότητα ενός μεμονωμένου καθρέφτη τόσο πλάτους όσο η απόσταση μεταξύ τους — ένα τηλεσκόπιο ουσιαστικά στο μέγεθος της Γης.

Για τη δημιουργία της εικόνας, τα ραδιοκύματα που έφταναν σε κάθε τηλεσκόπιο είχαν ακριβή χρονική σήμανση και αποθήκευση, και στη συνέχεια τα δεδομένα συρράπτονταν αργότερα. Η διαδικασία είναι σχετικά εύκολη στη ραδιοαστρονομία, τόσο επειδή τα αντικείμενα που εκπέμπουν ραδιόφωνο τείνουν να είναι εξαιρετικά φωτεινά όσο και επειδή τα ραδιοκύματα είναι σχετικά μεγάλα και επομένως είναι εύκολο να ευθυγραμμιστούν.

Η οπτική συμβολομετρία είναι πολύ πιο δύσκολη. Τα ορατά μήκη κύματος μετρούν εκατοντάδες νανόμετρα, αφήνοντας πολύ λιγότερο περιθώριο λάθους στην ευθυγράμμιση των κυμάτων ανάλογα με το πότε έφτασαν σε διαφορετικά τηλεσκόπια. Επιπλέον, τα οπτικά τηλεσκόπια δημιουργούν εικόνες φωτόνιο προς φωτόνιο από πολύ αμυδρά πηγές. Είναι αδύνατο να αποθηκεύσετε αυτά τα κοκκώδη σήματα σε κανονικούς σκληρούς δίσκους χωρίς να χάσετε πληροφορίες που είναι ζωτικής σημασίας για την πραγματοποίηση συμβολομετρίας.

Οι αστρονόμοι τα κατάφεραν συνδέοντας απευθείας κοντινά οπτικά τηλεσκόπια με οπτικές ίνες — μια προσέγγιση που οδήγησε το 2019 στην πρώτη άμεση παρατήρηση ενός εξωπλανήτη. Αλλά η σύνδεση τηλεσκοπίων σε απόσταση μεγαλύτερη από 1 χιλιόμετρο περίπου είναι «εξαιρετικά δυσκίνητη και δαπανηρή», δήλωσε ο Theo ten Brummelaar, διευθυντής της συστοιχίας CHARA, μιας οπτικής συμβολομετρικής συστοιχίας στην Καλιφόρνια. "Αν υπήρχε τρόπος καταγραφής γεγονότων φωτονίων σε ένα οπτικό τηλεσκόπιο με κάποιο είδος κβαντικής συσκευής, αυτό θα ήταν μεγάλο όφελος για την επιστήμη."

Young's Slits

Ο Joss Bland-Hawthorn και ο John Bartholomew από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϋ και ο Matthew Sellars του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας πρότειναν πρόσφατα ένα σχήμα για την πραγματοποίηση οπτικής συμβολομετρίας με κβαντικούς σκληρούς δίσκους.

Η αρχή πίσω από τη νέα πρόταση εντοπίζεται στις αρχές του 1800, πριν από την κβαντική επανάσταση, όταν ο Thomas Young επινόησε ένα πείραμα για να ελέγξει εάν το φως αποτελείται από σωματίδια ή κύματα. Ο Young πέρασε το φως μέσα από δύο στενά διαχωρισμένες σχισμές και είδε ένα σχέδιο κανονικών φωτεινών ζωνών να σχηματίζονται σε μια οθόνη πίσω. Αυτό το μοτίβο παρεμβολής, υποστήριξε, εμφανίστηκε επειδή τα κύματα φωτός από κάθε σχισμή ακυρώνονται και προστίθενται σε διαφορετικές τοποθεσίες.

Τότε τα πράγματα έγιναν πολύ πιο περίεργα. Οι κβαντικοί φυσικοί ανακάλυψαν ότι το μοτίβο παρεμβολής διπλής σχισμής παραμένει ακόμη και αν σταλούν φωτόνια προς τις σχισμές ένα κάθε φορά. τελεία προς τελεία, δημιουργούν σταδιακά τις ίδιες ζώνες φωτός και σκοταδιού στην οθόνη. Ωστόσο, αν κάποιος παρακολουθεί από ποια σχισμή περνά κάθε φωτόνιο, το μοτίβο παρεμβολής εξαφανίζεται. Τα σωματίδια μοιάζουν με κύμα μόνο όταν δεν διαταράσσονται.

Τώρα φανταστείτε ότι, αντί για δύο σχισμές, έχετε δύο τηλεσκόπια. Όταν ένα μόνο φωτόνιο από το σύμπαν φτάσει στη Γη, θα μπορούσε να χτυπήσει οποιοδήποτε τηλεσκόπιο. Μέχρι να το μετρήσετε - όπως συμβαίνει με τις διπλές σχισμές του Young - το φωτόνιο είναι ένα κύμα που εισέρχεται και στα δύο.

Οι Bland-Hawthorn, Bartholomew και Sellars προτείνουν τη σύνδεση ενός κβαντικού σκληρού δίσκου σε κάθε τηλεσκόπιο που μπορεί να καταγράφει και να αποθηκεύει τις κυματοειδείς καταστάσεις των εισερχόμενων φωτονίων χωρίς να τα διαταράσσει. Μετά από λίγο, μεταφέρετε τους σκληρούς δίσκους σε μια τοποθεσία, όπου παρεμποδίζετε τα σήματα για να δημιουργήσετε μια εικόνα απίστευτα υψηλής ανάλυσης.

Κβαντική μνήμη

Για να λειτουργήσει αυτό, οι κβαντικοί σκληροί δίσκοι πρέπει να αποθηκεύουν πολλές πληροφορίες για μεγάλες χρονικές περιόδους. Ένα σημείο καμπής ήρθε το 2015, όταν ο Bartholomew, ο Sellars και οι συνεργάτες του σχεδίασαν μια συσκευή μνήμης κατασκευασμένη από πυρήνες ευρωπίου ενσωματωμένους σε έναν κρύσταλλο που μπορούσε να αποθηκεύσει εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις για έξι ώρες, με τη δυνατότητα να επεκταθεί σε ημέρες.

Στη συνέχεια, νωρίτερα φέτος, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στο Χεφέι έδειξε ότι μπορείτε να αποθηκεύσετε δεδομένα φωτονίων σε παρόμοιες συσκευές και αργότερα να τα διαβάσετε.

«Είναι πολύ συναρπαστικό και εκπληκτικό να βλέπεις ότι οι τεχνικές κβαντικής πληροφορίας μπορούν να είναι χρήσιμες για την αστρονομία», δήλωσε ο Zong-Quan Zhou, ο οποίος ήταν συν-συγγραφέας της πρόσφατα δημοσιευμένης εργασίας. Ο Zhou περιγράφει έναν κόσμο στον οποίο τρένα υψηλής ταχύτητας ή ελικόπτερα μεταφέρουν γρήγορα κβαντικούς σκληρούς δίσκους μεταξύ τηλεσκοπίων που απέχουν πολύ μεταξύ τους. Αλλά αν αυτές οι συσκευές μπορούν να λειτουργήσουν εκτός εργαστηρίων μένει να φανεί.

Ο Βαρθολομαίος είναι πεπεισμένος ότι οι σκληροί δίσκοι μπορούν να προστατεύονται από λανθασμένα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που διαταράσσουν τις κβαντικές καταστάσεις. Αλλά θα πρέπει επίσης να αντέξουν τις αλλαγές πίεσης και την επιτάχυνση. Και οι ερευνητές εργάζονται για να σχεδιάσουν σκληρούς δίσκους που μπορούν να αποθηκεύουν φωτόνια με πολλά διαφορετικά μήκη κύματος — κάτι που είναι απαραίτητο για τη λήψη εικόνων του σύμπαντος.

Δεν πιστεύουν όλοι ότι θα λειτουργήσει. «Μακροπρόθεσμα, εάν πρόκειται να γίνουν πρακτικές αυτές οι τεχνικές, θα απαιτήσουν ένα κβαντικό δίκτυο», δήλωσε ο Mikhail Lukin, ειδικός κβαντικής οπτικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Αντί να μεταφέρει φυσικά κβαντικούς σκληρούς δίσκους, ο Lukin έχει προτείνει ένα σχέδιο που θα βασίζεται σε ένα κβαντικό Διαδίκτυο - ένα δίκτυο συσκευών που ονομάζονται κβαντικοί επαναλήπτες που τηλεμεταφέρουν φωτόνια μεταξύ τοποθεσιών χωρίς να διαταράσσεται η κατάστασή τους.

Ο Βαρθολομαίος απαντά ότι «έχουμε καλούς λόγους να είμαστε αισιόδοξοι» σχετικά με τους κβαντικούς σκληρούς δίσκους. «Νομίζω ότι σε ένα χρονικό πλαίσιο πέντε έως 10 ετών θα μπορούσατε να δείτε δοκιμαστικά πειράματα όπου θα αρχίσετε πραγματικά να κοιτάτε πραγματικές [αστρονομικές] πηγές». Αντίθετα, η κατασκευή ενός κβαντικού διαδικτύου, είπε ο Bland-Hawthorn, απέχει «δεκαετίες από την πραγματικότητα».