Вступаем ли мы в эру квантовых телескопов?

Для астрономов одной из самых больших проблем является получение изображений объектов и явлений, которые трудно увидеть с помощью оптических телескопов (или в видимом свете). Эта проблема была в значительной степени решена с помощью интерферометрии, метода, при котором несколько телескопов собирают свет, который затем объединяется для создания более полной картины. Примерами могут служить телескоп Event Horizon, который использует обсерватории со всего мира для получения первых изображений сверхмассивной черной дыры (SMBH) в центре галактики M87 и Стрельца A* в центре Млечного Пути.

При этом классическая интерферометрия требует поддержания оптической связи между обсерваториями, что накладывает ограничения и может привести к резкому увеличению затрат. В недавнем исследовании команда астрофизиков и физиков-теоретиков предложила, как эти ограничения можно преодолеть, полагаясь на квантовую механику. Вместо того чтобы полагаться на оптические каналы связи, они предлагают способ, при котором принцип квантовых запутанностей можно было бы использовать для обмена фотонами между обсерваториями. Этот метод является частью растущей области исследований, которая когда-нибудь может привести к созданию «квантовых телескопов».

Исследование было проведено исследователями из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Университета Стоуни Брук в Нью-Йорке, штат Нью-Йорк. Дополнительную поддержку оказал Стивен Винцкевич, физик-теоретик и независимый исследователь, в настоящее время базирующийся в Объединенных Арабских Эмиратах. Статья, описывающая их выводы, недавно появилась в Интернете и проходит рецензирование для публикации в научном журнале Optica.

В классической интерферометрии Майкельсона пучок света разделяется таким образом, что один луч попадает на неподвижное зеркало, а другой — на подвижное зеркало. Интерференционная картина создается, когда отраженные лучи снова объединяются. Для целей астрономии два луча собираются двумя телескопами, которые разделены некоторым расстоянием (называемым базовой интерферометрией). Но, несмотря на свою эффективность, классическая интерферометрия подвержена некоторым ограничениям.

Андрей Номероцкий, астрофизик из BNL и соавтор статьи, объяснил Universe Today по электронной почте: «Интерферометрия — это способ увеличить эффективную апертуру телескопов и улучшить угловое разрешение или астрометрическую точность. Главная трудность здесь заключается в поддержании стабильности этого оптического тракта с очень высокой точностью, которая должна быть намного меньше длины волны фотона, чтобы сохранить фазу фотона. Это ограничивает практические исходные линии несколькими сотнями метров».

В последние годы ученые исследовали возможность использования квантовых принципов для создания астрономии следующего поколения. Основная идея заключается в том, что фотоны могут передаваться между обсерваториями без физических соединений, которые являются дорогостоящими в строительстве и обслуживании. Ключ в том, чтобы воспользоваться преимуществами квантовой запутанности — явления, при котором частицы взаимодействуют и находятся в одном и том же квантовом состоянии, несмотря на то, что их разделяет значительное расстояние. Квантовые телескопы были первоначально предложены исследователями Дэниелом Готтесманом, Томасом Дженневейном и Сарой Кроук из Института теоретической физики Периметра и Института квантовых вычислений при Университете Ватерлоо.

«Предложение состояло в том, чтобы использовать источник запутанных фотонов и использовать корреляции количества фотонов на двух станциях и, следовательно, в основном устранить проблему стабильности фазы фотонов. Интерферометры интенсивности используются для измерения диаметров звезд с использованием метода, основанного на эффекте сгущения фотонов Хэнбери Брауна-Твисса. В нашей схеме мы используем тот же эффект, только его фазозависимую часть, для измерения угла раскрытия между двумя звездами, которые теперь могут быть разделены значительным углом. С другой стороны, сказал Номероцкий, вторую звезду также можно рассматривать как источник когерентных фотонов для первой звезды, отсюда и ссылка на предложение Готтесмана-Дженневейна-Кроука».

По словам Номеротски, в настоящее время команда разрабатывает физическое описание, которое включало бы оба варианта. Это можно было бы обобщить на несколько станций и квантовые протоколы для обработки квантовой информации в «зашумленной» среде. Чтобы проверить свою концепцию, команда создала настольную версию двухфотонного интерферометра, который использовал узкую спектральную линию в двух аргоновых лампах (для имитации двух звезд). Как они и предсказывали, основываясь на предыдущих теоретических исследованиях, команда отметила пики эффекта группировки фотонов Хэнбери-Брауна-Твисса и корреляции каналов и измерила его зависимость от фазы фотона.

Главным преимуществом этого метода является улучшенное угловое разрешение (способность различать детали в объектах) в телескопах. Но, как объяснил Номероцкий, долгосрочные выгоды могут быть неизмеримыми: «Может возникнуть множество научных возможностей, которые выиграют от существенного повышения астрометрической точности. Просто перечислим некоторые из них: проверка теорий гравитации путем прямого отображения аккреционных дисков черных дыр, точного параллакса и лестницы космических расстояний, картирование событий микролинзирования, экзопланет, специфических движений, темной материи и других. 

Конечно, все это довольно долгосрочно и потребует демонстраций подтверждения принципа и, что важно, повышения чувствительности по сравнению с тем, что достижимо сейчас. Эти улучшения основаны на прогрессе в разработке квантовых сетей и квантовых ретрансляторов, как в первоначальном предложении GJC. В настоящее время многие из этих разработок разрабатываются компаниями для совершенно других целей, и достигнут значительный прогресс, так что это может стать реальностью в обозримом будущем».

Это предложение по двухфотонной интерферометрии является одним из многих предложений по квантовым телескопам за последние годы. Другие примеры включают предложение команды Массачусетского технологического института объединить интерферометрию с квантовой телепортацией, чтобы резко увеличить разрешение обсерваторий (без использования зеркал большего размера). Существует также более свежая идея объединения стимулированного рамановского адиабатического прохождения и предварительно распределенной запутанности для создания виртуального телескопа интерферометрии с очень длинной базовой линией размером с планету Земля.

Эти квантовые методы могли бы позволить проводить наблюдения на ранее недоступных длинах волн и более детально изучать черные дыры, экзопланеты, Солнечную систему и поверхности далеких звезд. И по мере продолжения усилий по совершенствованию технологии, лежащей в основе квантовых вычислений, приложения, несомненно, будут распространяться на другие области исследований (например, квантовую астрономию).