Новая квантовая техника может изменить то, как мы изучаем Вселенную

В астрономии происходит революция. На самом деле можно сказать, что их несколько. За последние десять лет исследования экзопланет значительно продвинулись вперед, гравитационно-волновая астрономия стала новой областью, и были получены первые изображения сверхмассивных черных дыр (СМЧД).

Связанная область, интерферометрия, также невероятно продвинулся вперед благодаря высокочувствительным инструментам и возможности обмениваться и объединять данные из обсерваторий по всему миру. В частности, наука об интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) открывает совершенно новые области возможностей.

Согласно недавнему исследованию, проведенному учеными из Австралии и Сингапура, новый квантовый метод может улучшить оптическую РСДБ. Он известен как стимулированный рамановский адиабатический проход (STIRAP), который позволяет передавать квантовую информацию без потерь.

При внедрении в код квантовой коррекции ошибок этот метод может позволить проводить РСДБ-наблюдения на ранее недоступных длинах волн. После интеграции с инструментами нового поколения этот метод позволит проводить более подробные исследования черных дыр, экзопланет, Солнечной системы и поверхностей далеких звезд.

Исследование возглавил Цзысинь Хуан, доктор наук. научный сотрудник Центра инженерных квантовых систем (EQuS) Университета Маккуори в Сиднее, Австралия. К ней присоединились Гэвин Бреннан, профессор теоретической физики с факультета электротехники и вычислительной техники и Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура (NUS), и Инкай Оуян, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий. в NUS.

Проще говоря, метод интерферометрии состоит из комбинирования света от различных телескопов для создания изображений объекта, которые в противном случае было бы слишком сложно разрешить.

Интерферометрия с очень длинной базой относится к особый метод, используемый в радиоастрономии, при котором сигналы от астрономических радиоисточников (черных дыр, квазаров, пульсаров, туманностей звездообразования и т. д.) объединяются для создания подробных изображений их структуры и активности.

In В последние годы РСДБ дала самые подробные изображения звезд, вращающихся вокруг Стрельца А. * (Sgr A*), СМЧД в центре нашей галактики. Это также позволило астрономам из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) получить первое изображение черной дыры (M87*) и самого Sgr A*!

Но, как они указали в своем исследовании, классическая интерферометрия по-прежнему препятствуют несколько физических ограничений, включая потерю информации, шум и тот факт, что получаемый свет обычно имеет квантовую природу (где фотоны запутаны). Устранив эти ограничения, РСДБ можно будет использовать для гораздо более точных астрономических исследований.

Д-р Хуан сообщил Universe Today по электронной почте: электромагнитного спектра. Чтобы реализовать оптическую интерферометрию, необходимо, чтобы все части интерферометра были стабильны с точностью до доли длины волны света, чтобы свет мог интерферировать. 

Это очень сложно сделать большие расстояния: источники шума могут исходить от самого прибора, теплового расширения и сжатия, вибрации и т.д., а кроме того, есть потери, связанные с оптическими элементами.

«Идея этого направление исследований состоит в том, чтобы позволить нам перейти на оптические частоты из микроволн; эти методы в равной степени применимы к инфракрасному излучению. Мы уже можем проводить интерферометрию с большой базой в микроволновом диапазоне. Однако эта задача становится очень сложной на оптических частотах, потому что даже самая быстрая электроника не может напрямую измерить колебания электрического поля на этих частотах».

Ключ к преодолению этих ограничений, — говорит доктор Хуанг и ее коллег, заключается в использовании методов квантовой связи, таких как стимулированный комбинационный адиабатический проход. STIRAP состоит из использования двух когерентных световых импульсов для передачи оптической информации между двумя применимыми квантовыми состояниями.

Применительно к РСДБ, сказал Хуан, это позволит для эффективных и избирательных перемещений населения между квантовыми состояниями, не страдая от обычных проблем шума или потерь.

Как они описывают в своей статье («Изображение звезд с квантовой коррекцией ошибок»), процесс, который они предполагают, будет включать когерентно соединяя звездный свет с «темными» атомными состояниями, которые не излучают.

Следующий шаг, по словам Хуанга, состоит в том, чтобы соединить свет с квантовой коррекцией ошибок (QEC), методом, используемым в квантовых вычислениях. нг, чтобы защитить квантовую информацию от ошибок из-за декогеренции и другого «квантового шума».

Но, как указывает Хуанг, этот же метод может обеспечить более подробную и точную интерферометрию:

«Чтобы имитируют большой оптический интерферометр, свет должен собираться и обрабатываться когерентно, и мы предлагаем использовать квантовую коррекцию ошибок, чтобы уменьшить ошибки, связанные с потерями и шумом в этом процессе.

«Квантовая коррекция ошибок — это быстро развивающееся область, в основном сосредоточенная на обеспечении масштабируемых квантовых вычислений при наличии ошибок. В сочетании с предварительно распределенной запутанностью мы можем выполнять операции, которые извлекают необходимую нам информацию из звездного света, подавляя при этом шум».

Чтобы проверить свою теорию, команда рассмотрела сценарий, в котором два объекта (Алиса и Боб ), разделенные большими расстояниями, собирают астрономический свет.

Каждый из них имеет предварительно распределенную запутанность и содержит «квантовую память», в которую улавливается свет, и каждый готовит свой собственный набор квантовых данных (кубитов) в некоторый QEC. Полученные квантовые состояния затем впечатываются в общий код QEC декодером, который защищает данные от последующих шумовых операций. 

На этапе «кодировщика» сигнал захватывается в квантовую память через метод STIRAP, который позволяет входящему свету когерентно связываться с безызлучательным состоянием атома.

Возможность улавливать свет от астрономических источников, которые учитывают квантовые состояния (и устраняет квантовый шум и информацию проигрыш) была бы игра- преобразователь для интерферометрии. Более того, эти усовершенствования будут иметь значительные последствия для других областей астрономии, которые также претерпевают сегодня революцию.

«Переходя на оптические частоты, такая сеть квантовых изображений улучшит разрешение изображений на три-пять порядков. », — сказал Хуанг.

«Его мощности будет достаточно, чтобы сфотографировать маленькие планеты вокруг ближайших звезд, детали солнечных систем, кинематику звездных поверхностей, аккреционные диски и, возможно, детали вокруг горизонтов событий черных дыр — ни один из запланированных в настоящее время проектов не может быть решен.»

В ближайшем будущем космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) будет использовать свой усовершенствованный набор инструментов для инфракрасных изображений, чтобы охарактеризовать атмосферу экзопланеты, как никогда раньше. То же самое можно сказать и о наземных обсерваториях, таких как Чрезвычайно большой телескоп (ELT), Гигантский Магелланов телескоп (GMT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT).

Между их большими главными зеркалами, адаптивной оптикой, коронографами , и спектрометры, эти обсерватории позволят напрямую изучать изображения экзопланет, получая ценную информацию об их поверхности и атмосфере.

Используя преимущества новых квантовых методов и интегрируя их с РСДБ, обсерватории получат еще один способ захвата изображения некоторых из самых недоступных и труднодоступных объектов в нашей Вселенной. Секреты, которые это может раскрыть, наверняка будут (в последний раз, обещаю!) революционными!

Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочтите исходную статью.