Telescopen hebben de afgelopen eeuwen een lange weg afgelegd. Van de relatief bescheiden apparaten die zijn gebouwd door astronomen zoals Galileo Galilei en Johannes Kepler, zijn telescopen geëvolueerd tot enorme instrumenten waarvoor een hele faciliteit nodig is om ze te huisvesten en een volledige bemanning en een netwerk van computers om ze te laten werken. En de komende jaren komen er veel grotere sterrenwachten die nog meer kunnen.
Helaas heeft deze trend naar steeds grotere instrumenten veel nadelen. Om te beginnen vereisen steeds grotere observatoria ofwel steeds grotere spiegels of veel telescopen die samenwerken - beide zijn dure vooruitzichten. Gelukkig heeft een team van MIT voorgesteld om interferometrie te combineren met kwantumteleportatie, wat de resolutie van arrays aanzienlijk zou kunnen verhogen zonder te vertrouwen op grotere spiegels.
Simpel gezegd, interferometrie is een proces waarbij licht wordt verkregen door meerdere kleinere telescopen en vervolgens wordt gecombineerd om beelden te reconstrueren van wat ze hebben waargenomen. Dit proces wordt gebruikt door faciliteiten zoals de Very Large Telescope Interferometer (VLTI) in Chili en het Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) in Californië.
De eerste is gebaseerd op vier 8,2 m (27 ft) hoofdspiegels en vier beweegbare 1,8 m (5,9 ft) hulptelescopen - wat hem een resolutie geeft die gelijk is aan een 140 m (460 ft) spiegel - terwijl de laatste vertrouwt op zes één meter telescoop, waardoor het een resolutie heeft die gelijk is aan een spiegel van 330 m (1083 ft). Kortom, met interferometrie kunnen telescooparrays beelden produceren met een hogere resolutie dan anders mogelijk zou zijn.
Een van de nadelen is dat fotonen tijdens het transmissieproces onvermijdelijk verloren gaan. Als gevolg hiervan kunnen arrays zoals de VLTI en CHARA alleen worden gebruikt om heldere sterren te bekijken, en het bouwen van grotere arrays om dit te compenseren, roept opnieuw het kostenprobleem op. Zoals Johannes Borregaard - een postdoctorale fellow aan het University of Copenhagen's Centre for Mathematics of Quantum Theory (QMATH) en een co-auteur van het papier - vertelde Space Magazine via e-mail:
“Een uitdaging bij astronomische beeldvorming is het verkrijgen van een goede resolutie. De resolutie is een maat voor hoe klein de kenmerken zijn die u kunt afbeelden en wordt uiteindelijk bepaald door de verhouding tussen de golflengte van het licht dat u verzamelt en de grootte van uw apparaat (Rayleigh-limiet). Telescooparrays functioneren als één gigantisch apparaat en hoe groter je de array maakt, hoe beter de resolutie die je krijgt. ”
Maar dit brengt natuurlijk zeer hoge kosten met zich mee. Zo wordt de Extremely Large Telescope, die momenteel in de Atacama-woestijn in Chili wordt gebouwd, de grootste optische en nabij-infraroodtelescoop ter wereld. Toen ESO voor het eerst werd voorgesteld in 2012, gaf het aan dat het project ongeveer 1 miljard euro (1,12 miljard dollar) zou kosten op basis van de prijzen van 2012. Gecorrigeerd voor inflatie komt dat neer op 1,23 miljard dollar in 2018 en ongeveer 1,47 miljard dollar (uitgaande van een inflatiepercentage van 3%) tegen 2024 wanneer de bouw volgens planning moet worden voltooid.
"Bovendien zijn astronomische bronnen vaak niet erg helder in het optische regime", voegde Borregaard eraan toe. “Hoewel er een aantal klassieke stabilisatietechnieken bestaan om de eerste aan te pakken, vormt de laatste een fundamenteel probleem voor de manier waarop telescooparrays normaal worden bediend. De standaardtechniek van het lokaal opnemen van het licht bij elke telescoop resulteert in te veel ruis om te werken voor zwakke lichtbronnen. Als resultaat werken alle huidige optische telescooparrays door het licht van verschillende telescopen direct op één meetstation te combineren. De prijs die moet worden betaald, is verzwakking van het licht in transmissie naar het meetstation. Dit verlies is een ernstige beperking voor het construeren van zeer grote telescooparrays in het optische regime (de huidige optische arrays hebben afmetingen van max. ~ 300 m) en zullen uiteindelijk de resolutie beperken zodra effectieve stabilisatietechnieken aanwezig zijn. ”
Hiervoor stelt het Harvard-team - onder leiding van Emil Khabiboulline, een afgestudeerde student aan de Harvard-afdeling voor natuurkunde - voor om te vertrouwen op kwantumteleportatie. In de kwantumfysica beschrijft teleportatie het proces waarbij eigenschappen van deeltjes via kwantumverstrengeling van de ene naar de andere locatie worden getransporteerd. Dit zou, zoals Borregard uitlegt, het mogelijk maken om afbeeldingen te maken zonder de verliezen die worden ondervonden met normale interferometers:
“Een belangrijke observatie is dat verstrengeling, een eigenschap van de kwantummechanica, ons in staat stelt om een kwantumtoestand van de ene locatie naar de andere te sturen zonder deze fysiek te verzenden, in een proces dat quantumteleportatie wordt genoemd. Hier kan het licht van de telescopen naar het meetstation worden 'geteleporteerd', waardoor al het transmissieverlies wordt vermeden. Deze techniek zou in principe arrays van willekeurige grootte mogelijk maken, uitgaande van andere uitdagingen zoals stabilisatie. ”
Bij gebruik in het belang van quantumondersteunde telescopen zou het idee zijn om een constante stroom van verstrengelde paren te creëren. Terwijl een van de gepaarde deeltjes zich bij de telescoop zou bevinden, zou de andere naar de centrale interferometer reizen. Wanneer een foton arriveert van een verre ster, zal het interageren met een van dit paar en onmiddellijk naar de interferometer worden geteleporteerd om een beeld te creëren.
Met deze methode kunnen afbeeldingen worden gemaakt met de verliezen die worden ondervonden met normale interferometers. Het idee werd in 2011 voor het eerst voorgesteld door Gottesman, Jennewein en Croke van de Universiteit van Waterloo. Destijds begrepen zij en andere onderzoekers dat het concept een verstrengeld paar zou moeten genereren voor elk inkomend foton, dat in de orde van triljoenen paren per seconde ligt.
Dit was gewoon niet mogelijk met de toenmalige huidige technologie; maar dankzij recente ontwikkelingen op het gebied van quantumcomputing en opslag is het nu mogelijk. Zoals Borregaard aangaf:
'[W]Schets hoe het licht kan worden gecomprimeerd tot kleine kwantumgeheugens die de kwantuminformatie behouden. Dergelijke kwantumherinneringen kunnen bestaan uit atomen die in wisselwerking staan met het licht. Technieken voor het overbrengen van de kwantumtoestand van een lichtpuls in een atoom zijn in experimenten al een aantal keren aangetoond. Als gevolg van compressie in het geheugen gebruiken we aanzienlijk minder verstrengelde paren in vergelijking met geheugenloze schema's zoals die van Gottesman et al. Voor een ster van magnitude 10 en een meetbandbreedte van 10 GHz vereist ons schema bijvoorbeeld ~ 200 kHz verstrengingssnelheid met een 20-qubit-geheugen in plaats van de 10 GHz ervoor. Dergelijke specificaties zijn haalbaar met de huidige technologie en zwakkere sterren zouden met slechts iets grotere geheugens nog grotere besparingen opleveren. ”
Deze methode kan tot geheel nieuwe mogelijkheden leiden als het gaat om astronomische beeldvorming. Ten eerste zal het de resolutie van afbeeldingen drastisch verhogen en misschien het voor arrays mogelijk maken om resoluties te bereiken die equivalent zijn aan die van een spiegel van 30 km. Bovendien zouden astronomen exoplaneten kunnen detecteren en bestuderen met behulp van de directe beeldvormende techniek met resoluties tot op het niveau van de micro-arseconde.
'Het huidige record ligt rond milli-arcseconden', zei Borregaard. "Een dergelijke verhoging van de resolutie zal astronomen toegang geven tot een aantal nieuwe astronomische grenzen, gaande van het bepalen van kenmerken van planetenstelsels tot het bestuderen van cepheids en interagerende binaries ... Van belang voor ontwerpers van astronomische telescopen, zou ons schema zeer geschikt zijn voor implementatie in de ruimte, waar stabilisatie minder een probleem is. Een op de ruimte gebaseerde optische telescoop op de schaal van 10 ^ 4 kilometer zou inderdaad zeer krachtig zijn. '
In de komende decennia zullen veel nieuwe ruimte- en grondobservatoria van de volgende generatie worden gebouwd of ingezet. Deze instrumenten zullen naar verwachting al een sterk verbeterde resolutie en capaciteit bieden. Met de toevoeging van kwantumondersteunde technologie kunnen deze observatoria misschien zelfs de mysteries van donkere materie en donkere energie oplossen en de planeten buiten de zon tot in de kleinste details bestuderen.
De studie van het team, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", is onlangs online verschenen. Naast Khabiboulline en Borregaard was de studie mede-auteur door Kristiaan De Greve (een postdoctorale Harvard-fellow) en Mikhail Lukin - een Harvard-hoogleraar natuurkunde en het hoofd van de Lukin-groep in het Quantum Optics Laboratory van Harvard.
