Hvordan man bygger et teleporteringsassisteret teleskop

Store teleskoper er i højsædet; bedre, fordi de samler mere lys og producerer billeder i højere opløsning. Det største optiske teleskop er i øjeblikket Gran Telescopio Canarias på De Kanariske Øer, som har et primært spejl med en diameter på 10,4 meter.

Dette vil snart blive overskygget af det ekstremt store teleskop, der i øjeblikket er under opførelse i Chile, som, når det tænder i 2024, vil have et primærspejl på næsten 40 meter i diameter. Det vil også have kostet omkring 1 milliard dollar at bygge.

Men der er en billigere måde at gøre teleskoper større på - byg en række mindre og kombiner lyset fra dem ved hjælp af et interferometer. Den mest kraftfulde af disse er CHARA, som ligger på Mount Wilson i Californien. CHARA består af seks en-meter teleskoper adskilt på en måde, der giver dem en opløsning svarende til et 330 meter spejl.

Dette producerer billeder i meget højere opløsning end noget konventionelt teleskop. I 2013 tog CHARA de første billeder af stjernepletter på overfladen af ​​en anden sol, Zeta Andromedae, omkring 180 lysår herfra.

Men der er et problem med gigantiske optiske arrays. Lyset opsamlet ved hvert teleskop skal føres til et centralt interferometer, der kombinerer fotonerne for at skabe et billede. Fotoner går dog uundgåeligt tabt i transmissionsprocessen, og dette begrænser i høj grad billeddannelsens ydeevne.

Som et resultat kan CHARA og andre lignende arrays kun afbilde klare stjerner. Og udsigterne til at bygge større arrays ser dystre ud.

Indtast Emil Khabiboulline og kolleger på Harvard University i Cambridge, Massachusetts, som i dag viser, hvordan kvantemekanikkens mærkelige love kan hjælpe med at løse dette problem. De siger, at kvante-assisterede teleskoper betydeligt kunne øge den maksimale størrelse af disse arrays og opløsningen af ​​de billeder, de kan producere.

Først lidt baggrund. Fysikere har længe vidst, at kvantepartikler skabt på samme punkt i universet deler den samme eksistens. Dette skaber en forbindelse mellem dem, der overlever, selv når de er adskilt af enorme afstande. Denne forbindelse kaldes entanglement, og fysikere har allerede udnyttet den til at sende kvanteinformation på tværs af rummet og til at teleportere kvantepartikler fra et sted til et andet.

Teleportering begynder med et par sammenfiltrede partikler, kald dem A og B. Når et af dette par, A, vekselvirker med en tredje partikel, transmitteres kvanteinformationen fra denne tredje partikel over det sammenfiltrede led til partikel B, som påtager sig sin identitet.

Det er, som om den tredje partikel har rejst fra et sted til et andet uden at passere gennem mellemrummet. Det er derfor, fysikere kalder det teleportation.

Det er denne teleporteringsproces, som kvanteassisterede teleskoper vil udnytte. Ideen, som først blev foreslået i 2011, er at skabe en konstant strøm af sammenfiltrede par. Den ene af parret bor ved teleskopet, mens den anden rejser til det centrale interferometer.

Når en foton ankommer fra en fjern stjerne, interagerer den med en af ​​dette par og bliver straks teleporteret til interferometeret, hvor den kan skabe et billede. På den måde kan der skabes et billede uden de tab, der normalt begrænser ydelsen.

Da denne idé først blev foreslået i 2011, indså fysikere straks, at det ville kræve et stort antal sammenfiltrede par, et for hver indkommende foton. Det er i området 1011 pr. sekund ved CHARA og størrelsesordener mere, end det er muligt med den nuværende teknologi.

På grund af dette er ideen om at bruge teleporteringsassisterede teleskoper forsvundet. Indtil nu.

Det gennembrud, som Khabiboulline og kolleger har lavet, er at finde ud af, hvordan kvanteinformationen fra stjernelys kan komprimeres og lagres, og hvordan dette dramatisk reducerer mængden af ​​sammenfiltring, der kræves. Den nødvendige hastighed af sammenfiltringsfordeling reduceres med flere størrelsesordener, hvilket åbner op for realistiske udsigter til at anvende kortsigtede kvantenetværk til højopløsningsbilleddannelse, siger de.

Teknologien, der gør dette muligt, er kvantehukommelse. Disse er enheder, der kan lagre en kvantetilstand og derefter overføre den. [Dette giver] en eksponentiel reduktion i forbruget af sammenfiltrede ressourcer sammenlignet med hukommelsesløse ordninger, siger de.

Fysikere har for nylig gjort betydelige fremskridt i udviklingen af ​​kvantehukommelser, drevet af ideen om, at disse enheder vil muliggøre teknologier såsom et kvanteinternet. Kvanteteleskoper er væsentligt mere krævende på grund af den nødvendige mængde sammenfiltrede partikler. Men Khabiboulline og kolleger siger, at det nu ser mere praktisk ud.

Det er interessant arbejde, der åbner op for en helt ny tilgang til astronomisk billeddannelse. Forslaget er, at det vil muliggøre et array med en baseline i området på 30 kilometer. Det vil øge billedopløsningen markant.

Men i princippet burde det være muligt at bygge arrays, der stadig er væsentligt større, måske endda Jordens diameter. Det er et spændende perspektiv for fremtidens astronomer.

Ref: arxiv.org/abs/1809.03396 : Kvante-assisterede teleskoparrays

skjule