Teleskop har kommit långt under de senaste århundradena. Från de relativt blygsamma enheter som byggdes av astronomer som Galileo Galilei och Johannes Kepler har teleskop utvecklats till att bli massiva instrument som kräver en hel anläggning för att hysa dem och en full besättning och nätverk av datorer för att driva dem. Och under de kommande åren kommer mycket större observatorier att byggas som kan göra ännu mer.
Tyvärr har denna trend mot större och större instrument många nackdelar. Till att börja med kräver allt större observatorier antingen allt större speglar eller många teleskoper som arbetar tillsammans - som båda är dyra utsikter. Lyckligtvis har ett team från MIT föreslagit att kombinera interferometri med kvant-teleportering, vilket kan öka upplösningen av matriser betydligt utan att förlita sig på större speglar.
Kort sagt är interferometri en process där ljus erhålls av flera mindre teleskop och sedan kombineras för att rekonstruera bilder av vad de observerade. Denna process används av sådana anläggningar som Very Large Telescope Interferometer (VLTI) i Chile och Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) i Kalifornien.
Den förra förlitar sig på fyra 8,2 m (27 ft) huvudspeglar och fyra rörliga 1,8 m (5,9 fot) hjälpteleskop - vilket ger det en upplösning motsvarande en 140 m (460 ft) spegel - medan den senare förlitar sig på sex meter teleskop, vilket ger det en upplösning motsvarande en 330-m (1083 ft) spegel. Kort sagt tillåter interferometri att teleskopmatriser producerar bilder med högre upplösning än vad som annars skulle vara möjligt.
En av nackdelarna är att fotoner oundvikligen går förlorade under överföringsprocessen. Som ett resultat kan matriser som VLTI och CHARA endast användas för att se ljusa stjärnor, och att bygga större matriser för att kompensera för detta återigen väcker kostnaden. Som Johannes Borregaard - en postdoktor vid Köpenhamns universitet Center for Mathematics of Quantum Theory (QMATH) och en medförfattare på tidningen - berättade för Space Magazine via e-post:
”En utmaning med astronomisk avbildning är att få en bra upplösning. Upplösningen är ett mått på hur små funktionerna är att du kan avbilda och det fastställs slutligen av förhållandet mellan våglängden för ljuset du samlar in och storleken på din apparat (Rayleigh-gränsen). Teleskopuppsättningar fungerar som en gigantisk apparat och ju större du gör matrisen desto bättre upplösning får du. ”
Men naturligtvis kommer detta till en mycket hög kostnad. Exempelvis kommer det extremt stora teleskopet, som för närvarande byggs i Atacamaöknen i Chile, att vara det största optiska och nära-infraröda teleskopet i världen. När ESO föreslogs första gången 2012, indikerade att projektet skulle kosta cirka 1 miljard euro (1,12 miljarder dollar) baserat på 2012-priser. Justerat för inflation, som räknas ut till 1,23 miljarder dollar 2018, och ungefär 1,47 miljarder dollar (förutsatt en inflation på 3%) fram till 2024 när byggandet planeras vara slutfört.
"Dessutom är astronomiska källor ofta inte så ljusa i den optiska regimen," tillade Borregaard. ”Det finns ett antal klassiska stabiliseringstekniker för att hantera det förstnämnda, men det senare utgör ett grundläggande problem för hur teleskopuppsättningar normalt används. Standardtekniken för att lokalt spela in ljuset vid varje teleskop resulterar i för mycket brus för att fungera för svaga ljuskällor. Som ett resultat fungerar alla aktuella optiska teleskopuppsättningar genom att kombinera ljuset från olika teleskop direkt vid en enda mätstation. Priset som ska betalas är dämpning av ljuset som överförs till mätstationen. Denna förlust är en allvarlig begränsning för att konstruera mycket stora teleskopuppsättningar i den optiska regimen (nuvarande optiska matriser har storlekar av max ~ 300 m) och kommer i slutändan att begränsa upplösningen när effektiva stabiliseringstekniker är på plats. "
Till detta föreslår Harvard-teamet - under ledning av Emil Khabiboulline, en doktorand vid Harvards fysikavdelning - förlita sig på kvanteteleportering. I kvantfysik beskriver teleporteringen processen där egenskaperna hos partiklar transporteras från en plats till en annan via kvanttrassling. Detta, som Borregard förklarar, skulle göra det möjligt att skapa bilder utan de förluster som uppstår vid normala interferometrar:
”En viktig observation är att intrassling, en egenskap hos kvantmekanik, tillåter oss att skicka ett kvanttillstånd från en plats till en annan utan att fysiskt överföra det, i en process som kallas kvantteleportering. Här kan ljuset från teleskopen "teleporteras" till mätstationen och därmed kringgå all överföringsförlust. Den här tekniken skulle i princip möjliggöra arrayer av godtycklig storlek förutsatt att andra utmaningar som stabilisering hanteras. ”
När de används för kvantassisterade teleskop, skulle tanken vara att skapa en konstant ström av sammankopplade par. Medan en av de parade partiklarna skulle ligga vid teleskopet, skulle den andra resa till den centrala interferometern. När en foton anländer från en avlägsen stjärna kommer den att interagera med en av detta par och omedelbart teleporteras till interferometern för att skapa en bild.
Med hjälp av denna metod kan bilder skapas med de förluster som uppstår vid normala interferometrar. Idén föreslogs först 2011 av Gottesman, Jennewein och Croke från University of Waterloo. Vid den tiden förstod de och andra forskare att konceptet skulle behöva generera ett intrasslat par för varje inkommande foton, vilket är i storleksordningen trilljoner par per sekund.
Detta var helt enkelt inte möjligt med dagens teknik; men tack vare den senaste utvecklingen inom kvantberäkning och lagring kan det nu vara möjligt. Som Borregaard angav:
”[W]redogöra för hur ljuset kan komprimeras till små kvantminnen som bevarar kvantinformationen. Sådana kvantminnen kan bestå av atomer som interagerar med ljuset. Tekniker för att överföra kvanttillståndet för en ljuspuls till en atom har redan visats ett antal gånger i experiment. Som ett resultat av komprimering i minnet använder vi upp betydligt färre sammankopplade par jämfört med minneslösa scheman som det av Gottesman et al. Till exempel, för en stjärna med storleken 10 och en mätbandbredd på 10 GHz, kräver vårt schema ~ 200 kHz intrasslingshastighet med ett 20-kbitbit i stället för 10 GHz tidigare. Sådana specifikationer är möjliga med aktuell teknik och svagare stjärnor skulle resultera i ännu större besparingar med bara något större minnen. ”
Denna metod kan leda till några helt nya möjligheter när det gäller astronomisk avbildning. För det första kommer det dramatiskt att öka upplösningen av bilder och kanske göra det möjligt för matriser att uppnå upplösningar som motsvarar en 30 km spegel. Dessutom skulle det kunna göra det möjligt för astronomer att upptäcka och studera exoplaneter med hjälp av den direkta bildtekniken med upplösningar ner till mikro-arsekundnivån.
"Den nuvarande rekorden är runt milli-bågsekunder," sade Borregaard. "En sådan ökning av upplösningen kommer att göra det möjligt för astronomer att få åtkomst till ett antal nya astronomiska gränser, allt från att bestämma egenskaper hos planetariska system till att studera cepheider och samverkande binärer ... Av intresse för astronomiska teleskopdesigners skulle vårt schema vara väl lämpat för implementering i rymden, där stabilisering är mindre problem. Ett rymdbaserat optiskt teleskop i skalan 10 ^ 4 kilometer skulle verkligen vara mycket kraftfullt. ”
Under de kommande decennierna kommer många nästa generations rymd- och markbaserade observatorier att byggas eller distribueras. Redan förväntas dessa instrument erbjuda kraftigt ökad upplösning och kapacitet. Med tillägg av kvantassisterad teknik kan dessa observatorier till och med kunna lösa mysterierna om mörk materia och mörk energi och studera extra solplaneter i fantastisk detalj.
Teamets studie, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", dykte nyligen upp online. Förutom Khabiboulline och Borregaard författades studien av Kristiaan De Greve (en Harvard-postdoktor) och Mikhail Lukin - en Harvard-professor i fysik och chef för Lukin-gruppen vid Harvards Quantum Optics Laboratory.
