Teleskopi pēdējos gadsimtos ir nogājuši garu ceļu. No salīdzinoši pieticīgajām ierīcēm, kuras uzcēluši tādi astronomi kā Galileo Galilei un Johanness Keplers, teleskopi ir pārtapuši par masveida instrumentiem, kuru uzstādīšanai ir nepieciešama visa ierīce, kā arī pilna apkalpe un datoru tīkls, lai tos vadītu. Nākamajos gados tiks uzbūvēti daudz lielāki observatorijas, kas var darīt vēl vairāk.
Diemžēl šai tendencei uz lielākiem un lielākiem instrumentiem ir daudz trūkumu. Iesākumā arvien lielākām observatorijām nepieciešami vai nu arvien lielāki spoguļi, vai arī daudzi teleskopi, kas strādā kopā - abi šie projekti ir dārgi. Par laimi, MIT komanda ir ierosinājusi apvienot interferometriju ar kvantu teleportāciju, kas varētu ievērojami palielināt masīvu izšķirtspēju, nepaļaujoties uz lielākiem spoguļiem.
Vienkārši sakot, interferometrija ir process, kurā gaismu iegūst ar vairākiem mazākiem teleskopiem un pēc tam apvieno, lai rekonstruētu novērojamā attēlus. Šo procesu izmanto tādas iespējas kā ļoti liels teleskopu interferometrs (VLTI) Čīlē un Augstleņķu izšķirtspējas astronomijas centrs (CHARA) Kalifornijā.
Pirmais balstās uz četriem 8,2 m (27 pēdu) galvenajiem spoguļiem un četriem pārvietojamiem 1,8 m (5,9 pēdu) papildu teleskopiem - tas piešķir tā izšķirtspēju līdzvērtīgu 140 m (460 pēdu) spogulim -, savukārt otrais balstās uz sešiem viena metra teleskops, kas tam piešķir izšķirtspēju, kas līdzvērtīga 330 m (1083 pēdu) spogulim. Īsāk sakot, interferometrija ļauj teleskopu blokiem radīt augstākas izšķirtspējas attēlus, nekā tas būtu iespējams citādi.
Viens no trūkumiem ir tas, ka fotoni neizbēgami tiek zaudēti pārraides procesā. Rezultātā tādus masīvus kā VLTI un CHARA var izmantot tikai spilgtu zvaigžņu skatīšanai, un, lai to kompensētu, lielāku masīvu izveidošana vēlreiz rada jautājumu par izmaksām. Kā Johannes Borregaard - pēcdoktorants līdzstrādnieks Kopenhāgenas Universitātes Kvantu teorijas matemātikas centrā (QMATH) un līdzautors uz papīra - pa e-pastu stāstīja Space Magazine:
“Viens astronomiskā attēlveidošanas izaicinājums ir iegūt labu izšķirtspēju. Izšķirtspēja parāda, cik nelielas ir attēla iezīmes, un galu galā to nosaka attiecība starp jūsu savākto gaismas viļņa garumu un jūsu aparāta izmēru (Raileigh robeža). Teleskopa bloki funkcionē kā viens milzu aparāts, un jo lielāks ir masīvs, jo labāku izšķirtspēju iegūsit. ”
Bet, protams, tas izmaksā ļoti dārgi. Piemēram, ārkārtīgi lielais teleskops, kas šobrīd tiek būvēts Atacama tuksnesī Čīlē, būs lielākais optiskais un gandrīz infrasarkanais teleskops pasaulē. Pirmo reizi ierosinot 2012. gadā, ESO norādīja, ka projekta izmaksas būs apmēram 1 miljards eiro (1,12 miljardi USD), pamatojoties uz 2012. gada cenām. Pielāgota inflācijai, kas 2018. gadā sasniedz 1,23 miljardus USD un aptuveni 1,47 miljardus USD (pieņemot, ka inflācijas līmenis ir 3%) līdz 2024. gadam, kad būvniecību plānots pabeigt.
"Turklāt astronomiskie avoti bieži vien nav īpaši spilgti optiskajā režīmā," piebilda Borregaards. “Lai gan pastāv vairākas klasiskās stabilizācijas metodes, lai novērstu pirmo, pēdējais rada pamatproblēmas, kā parasti tiek darbināti teleskopu bloki. Standarta paņēmiens gaismas lokālai reģistrēšanai katrā teleskopā rada pārāk lielu troksni, lai darbotos vājos gaismas avotos. Tā rezultātā visi pašreizējie optisko teleskopu bloki darbojas, apvienojot dažādu teleskopu gaismu tieši vienā mērīšanas stacijā. Cena, kas jāmaksā, ir gaismas vājināšanās, pārejot uz mērīšanas staciju. Šis zaudējums ir nopietns ierobežojums ļoti lielu teleskopu bloku konstruēšanai optiskajā režīmā (pašreizējo optisko bloku izmēri ir ne vairāk kā ~ 300 m) un galu galā ierobežos izšķirtspēju, tiklīdz būs ieviestas efektīvas stabilizācijas metodes. ”
Hārvardas komanda, kuru vadīja Hārvarda Fizikas nodaļas absolvents Emils Khabibulins, iesaka paļauties uz kvantu teleportāciju. Kvantu fizikā teleportācija apraksta procesu, kurā daļiņu īpašības tiek pārnestas no vienas vietas uz otru, izmantojot kvantu saķeri. Tas, kā skaidro Borregards, ļautu attēliem radīt bez zaudējumiem, kas rodas parasto interferometru gadījumā:
“Viens no galvenajiem novērojumiem ir tas, ka sapīšanās, kvantu mehānikas īpašība, ļauj mums nosūtīt kvantu stāvokli no vienas vietas uz otru, to fiziski nenododot, procesā, ko sauc par kvantu teleportāciju. Šeit gaismu no teleskopiem var “teleportēt” uz mērīšanas staciju, tādējādi apejot visus pārraides zaudējumus. Šis paņēmiens principā ļautu patvaļīga izmēra blokiem, pieņemot, ka tiek risināti citi izaicinājumi, piemēram, stabilizācija. ”
Ja tos izmantos kvantu atbalstītu teleskopu labā, ideja būtu radīt pastāvīgu sapīto pāru plūsmu. Kamēr viena no pārī esošajām daļiņām atradīsies pie teleskopa, otra - uz centrālo interferometru. Kad no tālu zvaigznes ierodas fotons, tas mijiedarbosies ar vienu no šiem pāriem un nekavējoties tiks teleportēts uz interferometru, lai izveidotu attēlu.
Izmantojot šo metodi, attēlus var izveidot ar zaudējumiem, kas rodas parasto interferometru gadījumā. Ideju pirmo reizi ierosināja 2011. gadā Gottesman, Jennewein un Croke no Vaterlo universitātes. Tajā laikā viņi un citi pētnieki saprata, ka koncepcijai būs jāveido sapinušies pāri katram ienākošajam fotonam, kas ir triljonu pāru secībā sekundē.
Izmantojot toreizējo tehnoloģiju, tas vienkārši nebija iespējams; taču, pateicoties nesenajiem sasniegumiem kvantu skaitļošanā un glabāšanā, tas tagad var būt iespējams. Kā norādīja Borregaards:
“[W]Ieskicējiet, kā gaismu var saspiest mazās kvantu atmiņās, kas saglabā informāciju par kvantu. Šādas kvantu atmiņas varētu sastāvēt no atomiem, kas mijiedarbojas ar gaismu. Gaismas impulsa kvantu stāvokļa pārnešanas atomā paņēmieni eksperimentos jau ir parādīti vairākas reizes. Saspiešanas rezultātā atmiņā mēs izmantojam ievērojami mazāk sapinušos pāru, salīdzinot ar bezatmiņas shēmām, tādām kā Gottesman et al. Piemēram, zvaigznei ar magnitūdu 10 un mērījumu joslas platumu 10 GHz mūsu shēmai ir nepieciešams ~ 200 kHz sapīšanās ātrums, izmantojot 20 kbit atmiņu, nevis iepriekšējo 10 GHz. Šādas specifikācijas ir iespējamas ar pašreizējām tehnoloģijām, un zemākas zvaigznes radītu vēl lielākus ietaupījumus, tikai ar nedaudz lielākām atmiņām. ”
Šī metode varētu radīt dažas pilnīgi jaunas iespējas, kas saistītas ar astronomisko attēlveidošanu. Pirmkārt, tas dramatiski palielinās attēlu izšķirtspēju un, iespējams, ļaus masīviem sasniegt izšķirtspēju, kas ir līdzvērtīga 30 km spoguļa izšķirtspējai. Turklāt tas varētu ļaut astronomiem atklāt un izpētīt eksoplanetes, izmantojot tiešās attēlveidošanas metodi ar izšķirtspēju līdz mikro-arsekundes līmenim.
"Pašreizējais rekords ir ap miliosekundēm," sacīja Borregaards. "Šāds izšķirtspējas palielinājums ļaus astronomiem piekļūt vairākām jaunām astronomijas robežām, sākot no planētu sistēmu īpašību noteikšanas līdz cepheīdu izpētei un mijiedarbīgiem bināriem failiem ... Astronomijas teleskopa dizaineru interesēs mūsu shēma būtu labi piemērota ieviešanai kosmosā, kur stabilizācija ir mazāk aktuāla. Patiešām, kosmiskais optiskais teleskops mērogā 10 ^ 4 kilometri patiešām būtu ļoti spēcīgs. ”
Nākamajās desmitgadēs ir paredzēts būvēt vai izvietot daudzas nākamās paaudzes kosmosa un uz zemes bāzētās observatorijas. Jau sagaidāms, ka šie instrumenti piedāvās ievērojami palielinātu izšķirtspēju un iespējas. Ja ir pievienota kvantu tehnoloģija, šīs observatorijas pat varētu atrisināt tumšās matērijas un tumšās enerģijas noslēpumus un apbrīnojami detalizēti izpētīt ārpus Saules planētas.
Komandas pētījums “Quantum-Assisted Telescope Arrays” nesen parādījās tiešsaistē. Papildus Khabiboulline un Borregaard pētījumam līdzautori bija Kristiaan De Greve (Hārvardas pēcdoktorantu biedrs) un Mihails Lukin - Hārvardas fizikas profesors un Hārvarda Kvantu optikas laboratorijas Lukin grupas vadītājs.
