Τα τηλεσκόπια έχουν προχωρήσει πολύ τους τελευταίους αιώνες. Από τις συγκριτικά μέτριες συσκευές που έχουν κατασκευαστεί από αστρονόμους όπως το Galileo Galilei και ο Johannes Kepler, τα τηλεσκόπια έχουν εξελιχθεί σε τεράστια όργανα που απαιτούν μια ολόκληρη εγκατάσταση για να τους φιλοξενήσει και ένα πλήρες πλήρωμα και δίκτυο υπολογιστών για να τα τρέξουν. Και τα επόμενα χρόνια, θα κατασκευαστούν πολύ μεγαλύτερα παρατηρητήρια που μπορούν να κάνουν ακόμη περισσότερα.
Δυστυχώς, αυτή η τάση προς μεγαλύτερα και μεγαλύτερα μέσα έχει πολλά μειονεκτήματα. Για αρχάριους, τα όλο και μεγαλύτερα παρατηρητήρια απαιτούν είτε όλο και μεγαλύτερους καθρέφτες είτε πολλά τηλεσκόπια που συνεργάζονται - και τα δύο είναι δαπανηρές προοπτικές. Ευτυχώς, μια ομάδα από το MIT πρότεινε να συνδυάσει τη συμβολομετρία με την κβαντική τηλεμεταφορά, η οποία θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά την ανάλυση των συστοιχιών χωρίς να βασίζεται σε μεγαλύτερους καθρέφτες.
Για να το θέσουμε απλά, η ενδομετρία είναι μια διαδικασία όπου το φως λαμβάνεται από πολλαπλά μικρότερα τηλεσκόπια και στη συνέχεια συνδυάζεται για να ανακατασκευάσει εικόνες από αυτά που παρατήρησαν. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται από εγκαταστάσεις όπως το Ιντερφερόμετρο πολύ μεγάλου τηλεσκοπίου (VLTI) στη Χιλή και το Κέντρο Αστρονομίας Υψηλής Γωνίας Ανάλυσης (CHARA) στην Καλιφόρνια.
Το πρώτο βασίζεται σε τέσσερις κύριους καθρέφτες 8,2 m (27 ft) και τέσσερα κινητά τηλεσκόπια 1,8 m (5,9 ft) - το οποίο του δίνει ανάλυση ισοδύναμη με έναν καθρέφτη 140 m (460 ft) - ενώ το δεύτερο βασίζεται σε έξι ένα μέτρο τηλεσκόπιο, το οποίο του δίνει ανάλυση ισοδύναμη με καθρέφτη 330 m (1083 ft). Εν ολίγοις, η ενδομετρία επιτρέπει σε συστοιχίες τηλεσκοπίων να παράγουν εικόνες υψηλότερης ανάλυσης από ό, τι θα ήταν διαφορετικά.
Ένα από τα μειονεκτήματα είναι ότι τα φωτόνια χάνονται αναπόφευκτα κατά τη διαδικασία μετάδοσης. Ως αποτέλεσμα, οι συστοιχίες όπως το VLTI και το CHARA μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για την προβολή φωτεινών αστεριών και η δημιουργία μεγαλύτερων συστοιχιών για την αντιστάθμιση αυτού θέτει και πάλι το ζήτημα του κόστους. Ως Johannes Borregaard - μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Κέντρο Μαθηματικών της Κβαντικής Θεωρίας του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης (QMATH) και συν-συγγραφέας στο χαρτί - δήλωσε στο Space Magazine μέσω email:
«Μια πρόκληση της αστρονομικής απεικόνισης είναι η καλή ανάλυση. Η ανάλυση είναι ένα μέτρο του πόσο μικρές είναι οι δυνατότητες που μπορείτε να απεικονίσετε και τελικά καθορίζεται από την αναλογία μεταξύ του μήκους κύματος του φωτός που συλλέγετε και του μεγέθους της συσκευής σας (όριο Rayleigh). Οι συστοιχίες τηλεσκοπίων λειτουργούν ως μία γιγαντιαία συσκευή και όσο μεγαλύτερο κάνετε τη συστοιχία τόσο καλύτερη ανάλυση παίρνετε. "
Φυσικά, αυτό έχει πολύ υψηλό κόστος. Για παράδειγμα, το Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο, το οποίο κατασκευάζεται επί του παρόντος στην έρημο Atacama της Χιλής, θα είναι το μεγαλύτερο οπτικό και σχεδόν υπέρυθρο τηλεσκόπιο στον κόσμο. Όταν προτάθηκε για πρώτη φορά το 2012, ο ESO ανέφερε ότι το έργο θα κόστιζε περίπου 1 δισεκατομμύριο ευρώ (1,12 δισεκατομμύρια δολάρια) με βάση τις τιμές του 2012. Προσαρμοσμένο για τον πληθωρισμό, που φτάνει τα 1,23 δισ. Δολάρια το 2018 και περίπου 1,47 δισ. Δολάρια (υποθέτοντας ποσοστό πληθωρισμού 3%) έως το 2024, όταν πρόκειται να ολοκληρωθεί η κατασκευή.
«Επιπλέον, οι αστρονομικές πηγές συχνά δεν είναι πολύ φωτεινές στο οπτικό καθεστώς», πρόσθεσε ο Borregaard. «Ενώ υπάρχουν πολλές κλασικές τεχνικές σταθεροποίησης για την αντιμετώπιση της πρώτης, η δεύτερη θέτει ένα θεμελιώδες πρόβλημα για τον τρόπο λειτουργίας των συστοιχιών τηλεσκοπίων. Η τυπική τεχνική τοπικής καταγραφής του φωτός σε κάθε τηλεσκόπιο έχει ως αποτέλεσμα υπερβολικό θόρυβο για να λειτουργεί για αδύναμες πηγές φωτός. Ως αποτέλεσμα, όλες οι τρέχουσες συστοιχίες οπτικών τηλεσκοπίων λειτουργούν συνδυάζοντας το φως από διαφορετικά τηλεσκόπια απευθείας σε έναν μόνο σταθμό μέτρησης. Η τιμή που πρέπει να πληρώσετε είναι εξασθένηση του φωτός κατά τη μετάδοση στο σταθμό μέτρησης. Αυτή η απώλεια είναι ένας σοβαρός περιορισμός για την κατασκευή πολύ μεγάλων συστοιχιών τηλεσκοπίων στο οπτικό καθεστώς (οι τρέχουσες οπτικές συστοιχίες έχουν μεγέθη έως 300 μέτρα) και τελικά θα περιορίσουν την ανάλυση μόλις εφαρμοστούν αποτελεσματικές τεχνικές σταθεροποίησης. "
Σε αυτό, η ομάδα του Χάρβαρντ - με επικεφαλής τον Emil Khabiboulline, μεταπτυχιακό φοιτητή στο Τμήμα Φυσικής του Χάρβαρντ - προτείνει να στηριχτεί στην κβαντική τηλεμεταφορά. Στην κβαντική φυσική, η τηλεμεταφορά περιγράφει τη διαδικασία όπου οι ιδιότητες των σωματιδίων μεταφέρονται από τη μια θέση στην άλλη μέσω της κβαντικής εμπλοκής. Αυτό, όπως εξηγεί ο Borregard, θα επιτρέψει τη δημιουργία εικόνων χωρίς τις απώλειες που αντιμετωπίζουν τα κανονικά παρεμβολόμετρα:
«Μια βασική παρατήρηση είναι ότι η εμπλοκή, μια ιδιότητα της κβαντικής μηχανικής, μας επιτρέπει να στείλουμε μια κβαντική κατάσταση από μια τοποθεσία σε άλλη χωρίς να την μεταδώσουμε φυσικά, σε μια διαδικασία που ονομάζεται κβαντική τηλεμεταφορά. Εδώ, το φως από τα τηλεσκόπια μπορεί να «τηλεμεταφέρεται» στο σταθμό μέτρησης, παρακάμπτοντας έτσι κάθε απώλεια μετάδοσης. Αυτή η τεχνική επιτρέπει κατ 'αρχήν τις αυθαίρετες συστοιχίες μεγέθους, υποθέτοντας ότι αντιμετωπίζονται άλλες προκλήσεις, όπως η σταθεροποίηση. "
Όταν χρησιμοποιείται για χάρη των κβαντικών υποβοηθούμενων τηλεσκοπίων, η ιδέα θα ήταν να δημιουργηθεί μια συνεχής ροή εμπλεγμένων ζευγών. Ενώ ένα από τα ζευγαρωμένα σωματίδια θα κατοικούσε στο τηλεσκόπιο, το άλλο θα ταξίδευε στο κεντρικό συμβολόμετρο. Όταν ένα φωτόνιο φτάνει από ένα μακρινό αστέρι, θα αλληλεπιδράσει με ένα από αυτά τα ζευγάρια και θα μεταφερθεί αμέσως στο μεσομετρητή για να δημιουργήσει μια εικόνα.
Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο, οι εικόνες μπορούν να δημιουργηθούν με τις απώλειες που συναντώνται με τα κανονικά παρεμβολόμετρα. Η ιδέα προτάθηκε για πρώτη φορά το 2011 από τους Gottesman, Jennewein και Croke του Πανεπιστημίου του Waterloo. Εκείνη την εποχή, αυτοί και άλλοι ερευνητές κατάλαβαν ότι η ιδέα θα χρειαζόταν να δημιουργήσει ένα εμπλεκόμενο ζεύγος για κάθε εισερχόμενο φωτόνιο, το οποίο είναι της τάξης των τρισεκατομμυρίων ζευγών ανά δευτερόλεπτο.
Αυτό δεν ήταν απλώς δυνατό με τη χρήση της τρέχουσας τεχνολογίας. αλλά χάρη στις πρόσφατες εξελίξεις στον κβαντικό υπολογισμό και την αποθήκευση, μπορεί τώρα να είναι δυνατή. Όπως έδειξε ο Borregaard:
«[Δ]Περιγράψτε πώς το φως μπορεί να συμπιεστεί σε μικρές κβαντικές αναμνήσεις που διατηρούν τις κβαντικές πληροφορίες. Τέτοιες κβαντικές αναμνήσεις θα μπορούσαν να αποτελούνται από άτομα που αλληλεπιδρούν με το φως. Τεχνικές για τη μεταφορά της κβαντικής κατάστασης ενός παλμού φωτός σε ένα άτομο έχουν ήδη καταδειχθεί πολλές φορές σε πειράματα. Ως αποτέλεσμα της συμπίεσης στη μνήμη, χρησιμοποιούμε σημαντικά λιγότερα ζευγάρια που έχουν εμπλακεί σε σύγκριση με σχήματα χωρίς μνήμη, όπως αυτά των Gottesman et al. Για παράδειγμα, για ένα αστέρι μεγέθους 10 και εύρος ζώνης μέτρησης 10 GHz, το σχήμα μας απαιτεί ~ 200 kHz ρυθμού εμπλοκής χρησιμοποιώντας μια μνήμη 20-qubit αντί για τα 10 GHz πριν. Τέτοιες προδιαγραφές είναι εφικτές με την τρέχουσα τεχνολογία και τα αμυδρότερα αστέρια θα έχουν ως αποτέλεσμα ακόμη μεγαλύτερη εξοικονόμηση με μόνο ελαφρώς μεγαλύτερες αναμνήσεις. "
Αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να οδηγήσει σε εντελώς νέες ευκαιρίες όσον αφορά την αστρονομική απεικόνιση. Πρώτον, θα αυξήσει δραματικά την ανάλυση των εικόνων και ίσως επιτρέπει στις συστοιχίες να επιτύχουν αναλύσεις ισοδύναμες με εκείνες ενός καθρέφτη 30 χλμ. Επιπλέον, θα μπορούσε να επιτρέψει στους αστρονόμους να εντοπίσουν και να μελετήσουν εξωπλανήτες χρησιμοποιώντας την τεχνική άμεσης απεικόνισης με αναλύσεις μέχρι το επίπεδο μικροσυστατικών.
«Το τρέχον ρεκόρ είναι περίπου milli-arcseconds», δήλωσε ο Borregaard. «Μια τέτοια αύξηση της ανάλυσης θα επιτρέψει στους αστρονόμους να έχουν πρόσβαση σε μια σειρά από νέα αστρονομικά σύνορα που κυμαίνονται από τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών των πλανητικών συστημάτων έως τη μελέτη των cepheids και των αλληλεπιδραστικών δυαδικών ψηφίων… Ενδιαφέρον για τους σχεδιαστές αστρονομικών τηλεσκοπίων, το σχέδιό μας θα ήταν κατάλληλο για εφαρμογή στο διάστημα, όπου η σταθεροποίηση είναι λιγότερο θέμα. Ένα οπτικό τηλεσκόπιο με βάση το διάστημα στην κλίμακα των 10 ^ 4 χιλιομέτρων θα ήταν πράγματι πολύ ισχυρό. "
Τις επόμενες δεκαετίες, πολλά διαστημικά και επίγεια παρατηρητήρια επόμενης γενιάς πρόκειται να κατασκευαστούν ή να αναπτυχθούν. Ήδη, αυτά τα μέσα αναμένεται να προσφέρουν πολύ αυξημένη ανάλυση και ικανότητα. Με την προσθήκη της κβαντικής υποβοηθούμενης τεχνολογίας, αυτά τα παρατηρητήρια θα μπορούσαν ακόμη και να επιλύσουν τα μυστήρια της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, και να μελετήσουν εξωηλιακούς πλανήτες με εκπληκτική λεπτομέρεια.
Η μελέτη της ομάδας, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", εμφανίστηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο. Εκτός από τους Khabiboulline και Borregaard, η μελέτη συνέγραψε η Kristiaan De Greve (μεταδιδακτορικός συνεργάτης του Χάρβαρντ) και ο Mikhail Lukin - καθηγητής Φυσικής του Χάρβαρντ και επικεφαλής του ομίλου Lukin στο Εργαστήριο Κβαντικής Οπτικής του Χάρβαρντ.
