Teleskopai nuėjo ilgą kelią per pastaruosius kelis šimtmečius. Iš palyginti kuklių prietaisų, kuriuos sukūrė astronomai, tokie kaip Galileo Galilei ir Johanesas Kepleris, teleskopai tapo masyviais instrumentais, kuriems įrengti reikalinga visa įranga ir visa komanda ir kompiuterių tinklas jiems valdyti. O ateinančiais metais bus pastatyta daug didesnių observatorijų, kurios gali nuveikti dar daugiau.
Deja, ši didesnių ir didesnių instrumentų tendencija turi daug trūkumų. Pradedantiesiems vis didesnėms observatorijoms reikalingi arba vis didesni veidrodžiai, arba daug teleskopų, veikiančių kartu - abu jie yra brangūs. Laimei, MIT komanda pasiūlė derinti interferometriją su kvantiniu teleportavimu, kuris galėtų žymiai padidinti masyvų skiriamąją gebą, nepasikliaunant didesniais veidrodžiais.
Paprasčiau tariant, interferometrija yra procesas, kai šviesa gaunama iš kelių mažesnių teleskopų ir sujungiama, kad būtų rekonstruoti vaizdai, kuriuos jie stebėjo. Šį procesą naudoja tokios įstaigos kaip labai didelis teleskopo interferometras (VLTI) Čilėje ir Aukšto kampo raiškos astronomijos centras (CHARA) Kalifornijoje.
Pirmasis priklauso nuo keturių 8,2 m (27 pėdų) pagrindinių veidrodžių ir keturių judamųjų 1,8 m (5,9 pėdų) pagalbinių teleskopų - tai suteikia skiriamąją gebą, lygią 140 m (460 pėdų) veidrodžiui, o antrasis remiasi šešiais vieno metro atstumais. teleskopas, kuris suteikia skiriamąją gebą, lygią 330 m (1083 pėdų) veidrodžiui. Trumpai tariant, interferometrija leidžia teleskopų matricoms gauti didesnės skiriamosios gebos vaizdus, nei būtų galima kitaip.
Vienas iš trūkumų yra tas, kad perdavimo metu neišvengiamai prarandami fotonai. Todėl masyvai, tokie kaip VLTI ir CHARA, gali būti naudojami tik ryškių žvaigždžių matymui, o pastačius didesnius masyvus, kad tai kompensuotų, vėl kyla išlaidų klausimas. Kaip Johannesas Borregaardas - Kopenhagos universiteto Kvantinės teorijos matematikos centro (QMATH) podoktorantūros bendradarbis ir bendraautoris - „Space Magazine“ papasakojo el. Paštu:
„Vienas astronominių vaizdų iššūkis yra pasiekti gerą skiriamąją gebą. Skiriamoji geba yra matas, kiek maža galimybių, kurias galite atvaizduoti, ir ją galiausiai nustato santykis tarp jūsų renkamos šviesos bangos ilgio ir jūsų aparato dydžio (Rayleigh riba). Teleskopo masyvai veikia kaip vienas milžiniškas aparatas, ir kuo didesnį masyvą padarysite, tuo geresnę skiriamąją gebą gausite. “
Bet, žinoma, tai kainuoja labai brangiai. Pavyzdžiui, nepaprastai didelis teleskopas, kuris šiuo metu statomas Atakamos dykumoje Čilėje, bus didžiausias optinis ir beveik infraraudonųjų spindulių teleskopas pasaulyje. Pirmą kartą pasiūlius 2012 m., ESO nurodė, kad remiantis 2012 m. Kainomis projektas kainuos apie 1 milijardą eurų (1,12 milijardo dolerių). Pakoreguota atsižvelgiant į infliaciją, kuri 2018 m. Sudarys 1,23 milijardo dolerių, o iki 2024 m., Kai planuojama baigti statybas, apytiksliai - 1,47 milijardo dolerių (darant prielaidą, kad infliacija bus 3%).
„Be to, astronominiai šaltiniai optiniu režimu dažnai nėra labai ryškūs“, - pridūrė Borregaardas. Nors yra keletas klasikinių stabilizavimo metodų, skirtų kovoti su pirmaisiais, pastarieji kelia pagrindinę problemą, kaip paprastai veikia teleskopų matricos. Įprasta šviesos lokalinio įrašymo technika kiekviename teleskope sukelia per daug triukšmo, veikiant silpniems šviesos šaltiniams. Dėl to visos dabartinės optinių teleskopų masyvai veikia sujungdami skirtingų teleskopų šviesą tiesiai į vieną matavimo stotį. Mokėtina kaina yra šviesos, sklindančios į matavimo stotį, silpnėjimas. Šis nuostolis yra rimtas apribojimas statant labai didelius teleskopų matricas optiniu režimu (dabartinių optinių matricų dydis yra ne daugiau kaip 300 m) ir galiausiai apribos skiriamąją gebą, kai bus įdiegti veiksmingi stabilizavimo būdai. “
Harvardo komanda, kuriai vadovauja Harilio fizikos katedros magistrantas Emilis Khabiboulline'as, siūlo pasikliauti kvantine teleportacija. Kvantinėje fizikoje teleportacija apibūdina procesą, kai dalelių savybės perkeliamos iš vienos vietos į kitą per kvantinį susipynimą. Tai, kaip paaiškina Borregard, leis kurti vaizdus be nuostolių, patiriamų naudojant įprastus interferometrus:
„Vienas pagrindinių pastebėjimų yra tai, kad susipainiojimas, kvantinės mechanikos savybė, leidžia mums siųsti kvantinę būseną iš vienos vietos į kitą jos fiziškai neperduodant, procese, vadinamame kvantine teleportacija. Šviesą iš teleskopų galima „teleportuoti“ į matavimo stotį, taip išvengiant visų perdavimo nuostolių. Ši technika iš esmės leistų savavališko dydžio masyvus, prisiimant kitus iššūkius, tokius kaip stabilizavimas. “
Naudojant teleskopus su kvantiniais sumanymais, idėja būtų sukurti nuolatinį įsitvirtinusių porų srautą. Kol viena iš suporuotų dalelių būtų prie teleskopo, kita eitų į centrinį interferometrą. Kai fotonas atkeliauja iš tolimos žvaigždės, jis sąveikaus su viena iš šios poros ir bus nedelsiant teleportuotas į interferometrą, kad būtų sukurtas vaizdas.
Naudojant šį metodą, vaizdai gali būti sukurti su nuostoliais, patiriamais naudojant įprastus interferometrus. Pirmą kartą šią idėją pasiūlė Gottesmanas, Jenneweinas ir Croke iš Vaterlo universiteto. Tuo metu jie ir kiti tyrinėtojai suprato, kad įgyvendinant šią koncepciją reikės sukurti įsipainiojančią porą kiekvienam gaunamam fotonui, kuris yra trilijonų porų per sekundę tvarka.
Tai nebuvo įmanoma naudojant tuometinę technologiją; tačiau dėka pastarojo meto pokyčių kvantinio skaičiavimo ir saugojimo srityje, dabar tai gali būti įmanoma. Kaip nurodė Borregaardas:
„[W]Apibūdinkite, kaip šviesą galima suspausti į mažus kvantinius prisiminimus, kurie išsaugo informaciją apie kvantus. Tokius kvantinius prisiminimus galėtų sudaryti atomai, sąveikaujantys su šviesa. Šviesos impulsų kvantinės būsenos perkėlimo į atomą būdai jau keletą kartų buvo parodyti eksperimentuose. Suspaudus atmintyje, mes sunaudojame žymiai mažiau įsipainiojusių porų, palyginti su be atminties schemomis, tokiomis, kaip Gottesman ir kt. Pvz., Žvaigždute, kurios dydis 10 ir matavimo juostos plotis yra 10 GHz, mūsų schema reikalauja ~ 200 kHz įsipainiojimo greičio, naudojant 20 kbitų atmintį, o ne 10 GHz anksčiau. Tokios specifikacijos yra įmanomos naudojant šiuolaikines technologijas, o silpnesnės žvaigždės sutaupytų dar daugiau, tik šiek tiek didesnės atminties. “
Šis metodas gali suteikti visiškai naujų galimybių, susijusių su astronominiu vaizdavimu. Pirma, tai žymiai padidins vaizdų skiriamąją gebą ir galbūt leis masyvams pasiekti skiriamąją gebą, lygią 30 km ilgio veidrodžiui. Be to, tai galėtų leisti astronomams aptikti ir ištirti egzoplanetas, naudojant tiesioginio vaizdavimo techniką, skiriant skiriamąją gebą iki mikrosekundės lygio.
„Dabartinis rekordas yra maždaug milijardas sekundžių“, - sakė B. Borregaardas. „Toks padidėjęs skyra leis astronomams pasiekti daugybę naujų astronominių sienų, pradedant nuo planetų sistemų charakteristikų nustatymo ir baigiant kefidų tyrimais ir sąveikaujančiomis dvejetainėmis dalimis ... Astronominių teleskopų dizaineriams įdomi mūsų schema būtų gerai pritaikoma erdvėje, kur stabilizavimas yra mažiau svarbus. Iš tikrųjų kosminis optinis teleskopas 10–4 kilometrų skalėje būtų labai galingas “.
Ateinančiais dešimtmečiais bus planuojama pastatyti ar dislokuoti daug naujos kartos kosminių ir antžeminių observatorijų. Jau tikimasi, kad šios priemonės turės žymiai padidintą skiriamąją gebą ir galimybes. Pridėjus kvantinę technologiją, šios observatorijos galėtų net išspręsti tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos paslaptis ir stebėtinai detaliai ištirti ne Saulės išorines planetas.
Neseniai internete pasirodė komandos tyrimas „Kvantinio teleskopo masyvai“. Be „Khabiboulline“ ir „Borregaard“, šį tyrimą kartu parašė Kristiaan De Greve (Harvardo universiteto podoktorantūros bendradarbis) ir Michailas Lukinas - Harvardo fizikos profesorius ir Harvardo kvantinės optikos laboratorijos „Lukin“ grupės vadovas.
