Teleskop på størrelse med jorden: hvordan kvantekommunikasjon vil bidra til å skape den

En revolusjon finner sted innen astronomi. Studiet av eksoplaneter har utviklet seg de siste 10 årene,

gravitasjonsbølgeastronomi er nyttforskningsområdet, og forskere har fått de første bildene av supermassive sorte hull (SMBH). Vitenskapsfeltet som bidro til disse oppdagelsene – interferometri – begynte også å utvikle seg raskt. Alt dette er takket være svært sensitive instrumenter og muligheten til å dele og kombinere data fra observatorier rundt om i verden. Spesielt åpner vitenskapen om svært lang baseline interferometri (VLBI) opp helt nye muligheter takket være kvanteteknologier.

Kvanteteknologi vil hjelpe

Ifølge en fersk studie av forskere fraAustralia og Singapore, ny kvanteteknologi vil forbedre optisk VLBI. Stimulert Raman Adiabatic Transition (STIRAP) er en prosess som tillater befolkningsoverføring mellom to gjeldende kvantetilstander ved bruk av minst to koherente elektromagnetiske (lys) pulser. De kontrollerer overgangene til et trenivåatom eller et flernivåsystem. En prosess er en form for sammenhengende kontroll mellom stater. I hovedsak lar det kvanteinformasjon overføres uten tap.

Ved bruk av kvantefeilkorreksjon(kvantefeilkorreksjon, QEC) denne metoden kan tillate VLBI-observasjoner ved tidligere utilgjengelige bølgelengder. Når den er integrert med neste generasjons instrumenter, kan teknikken muliggjøre mer detaljerte studier av sorte hull, eksoplaneter, solsystemet og overflatene til fjerne stjerner.

Hvordan fungerer interferometri?

Enkelt sagt består interferometrimetoden avved å kombinere lys fra flere teleskoper rundt jorden for å lage bilder av et objekt som ellers ville vært for vanskelig å løse. Svært lang grunnlinjeinterferometri refererer til en spesiell teknikk som brukes i radioastronomi der signaler fra astronomiske radiokilder (svarte hull, kvasarer, pulsarer, stjernedannende tåker osv.) kombineres for å lage detaljerte bilder av deres struktur og aktivitet. De siste årene har VLBI levert de mest detaljerte bildene til nå av stjerner som kretser rundt Skytten A* (Sgr A*), det supermassive sorte hullet i sentrum av galaksen.

Det tillot også astronomer fra samarbeidetEvent Horizon Telescope (EHT) for å ta det første bildet av et sort hull (M87) og selve Sgr A. Men som de bemerket i studien, er klassisk interferometri og faktisk etableringen av et teleskop i jordstørrelse fortsatt hindret av flere fysiske begrensninger. Disse inkluderer tap av informasjon, støy og det faktum at det resulterende lyset typisk er kvante i naturen (hvor fotoner er sammenfiltret). Ved å eliminere disse begrensningene kan VLBI brukes til mye mer presis astronomisk forskning.

Løsning på problemet

Som forskere beskriver i artikkelen «Visualisere stjernermed kvantefeilkorreksjon», en prosess de ser for seg vil innebære en sammenhengende binding av stjernelys til «mørke» atomtilstander. Det neste trinnet er å koble lyset med QEC, en teknikk som brukes i kvanteberegning for å beskytte kvanteinformasjon mot feil på grunn av dekoherens og annen "kvantestøy". Men, som forskere bemerker, vil denne samme metoden gi mer detaljert og nøyaktig interferometri.

Tester teorien

For å teste teorien deres, så teamet pået scenario der to objekter atskilt med store avstander samler astronomisk lys. Hver deler en forhåndsfordelt sammenfiltring og inneholder et "kvanteminne" som lys er fanget inn i, og hver forbereder sitt eget sett med kvantedata (qubits) til en eller annen kode med QEC. De resulterende kvantetilstandene blir deretter trykt inn i en felles QEC-kode av en dekoder, som beskytter dataene mot påfølgende støyende operasjoner.

På "encoder"-stadiet fanges signalet innkvanteminne ved hjelp av STIRAP-metoden, som gjør at innkommende lys kan kobles sammenhengende til atomets ikke-strålingstilstand. Evnen til å fange lys fra astronomiske kilder som står for kvantetilstander (og eliminerer kvantestøy og informasjonstap) kan være en game-changer for interferometri. Dessuten vil disse forbedringene påvirke andre områder av astronomi som også gjennomgår revolusjonerende endringer i dag.

Hva er bunnlinjen?

Bytte til optiske frekvenser, et slikt nettverkkvanteavbildning vil forbedre bildeoppløsningen med tre til fem størrelsesordener. Dens kraft vil være tilstrekkelig til å avbilde små planeter rundt nærliggende stjerner, detaljer om stjernesystemer, kinematikk til stjerneoverflater, akkresjonsskiver og potensielt detaljer rundt sorte hulls hendelseshorisonter - ingen av prosjektene som er planlagt for øyeblikket er i stand til dette. Faktisk, ved å bruke den nye teknologien, vil menneskeheten disponere et teleskop på størrelse med en planet.

Les mer

Kinesisk AI forutsier forløpet til hypersoniske missiler. gjengjeldelsesstreiken vil være i forkant

Fra en blanding av HPV, kreft og syfilis viste det seg "udødelige" celler: hva er kjent om dem

Astronomer fra Japan har funnet en ukjent struktur i galaksen