211service.com
Hvordan bygge et teleporteringsassistert teleskop
Store teleskoper er alle raseri; bedre fordi de samler mer lys og produserer bilder med høyere oppløsning. Det største optiske teleskopet er for tiden Gran Telescopio Canarias på Kanariøyene, som har et primærspeil med en diameter på 10,4 meter.
Dette vil snart bli overskygget av det ekstremt store teleskopet som for tiden er under bygging i Chile, som, når det slås på i 2024, vil ha et primærspeil på nesten 40 meter i diameter. Det vil også ha kostet rundt 1 milliard dollar å bygge.
Men det er en billigere måte å gjøre teleskoper større på – bygg en rekke mindre og kombiner lyset fra dem ved hjelp av et interferometer. Den kraftigste av disse er CHARA, som ligger på Mount Wilson i California. CHARA består av seks 1-meters teleskoper adskilt på en måte som gir dem en oppløsning tilsvarende et 330-meters speil.
Dette gir mye høyere oppløsning enn noe vanlig teleskop. I 2013 tok CHARA de første bildene av stjerneflekker på overflaten til en annen sol, Zeta Andromedae, rundt 180 lysår herfra.
Men det er et problem med gigantiske optiske arrays. Lyset som samles inn ved hvert teleskop må mates til et sentralt interferometer som kombinerer fotonene for å lage et bilde. Fotoner går imidlertid uunngåelig tapt i overføringsprosessen, og dette begrenser bildeytelsen sterkt.
Som et resultat kan CHARA og andre lignende arrays bare avbilde lyse stjerner. Og utsiktene for å bygge større arrays ser dystre ut.
Gå inn Emil Khabiboulline og kolleger ved Harvard University i Cambridge, Massachusetts, som i dag viser hvordan kvantemekanikkens merkelige lover kan bidra til å løse dette problemet. De sier at kvanteassisterte teleskoper kan øke den maksimale størrelsen på disse arrayene betydelig og oppløsningen til bildene de kan produsere.
Først litt bakgrunn. Fysikere har lenge visst at kvantepartikler skapt på samme punkt i universet deler den samme eksistensen. Dette skaper en forbindelse mellom dem som overlever selv når de er adskilt av store avstander. Denne forbindelsen kalles sammenfiltring, og fysikere har allerede utnyttet den til å sende kvanteinformasjon over rommet og til å teleportere kvantepartikler fra ett sted til et annet.
Teleportering begynner med et par sammenfiltrede partikler, kall dem A og B. Når et av dette paret, A, samhandler med en tredje partikkel, overføres kvanteinformasjonen fra denne tredje partikkelen over den sammenfiltrede koblingen til partikkel B, som tar på seg sin identitet.
Det er som om den tredje partikkelen har reist fra ett sted til et annet uten å passere gjennom mellomrommet. Det er derfor fysikere kaller det teleportering.
Det er denne prosessen med teleportering som kvanteassisterte teleskoper vil utnytte. Ideen, først foreslått i 2011, er å skape en konstant strøm av sammenfiltrede par. En av paret bor ved teleskopet, mens den andre reiser til det sentrale interferometeret.
Når et foton kommer fra en fjern stjerne, samhandler det med en av dette paret og blir umiddelbart teleportert til interferometeret, hvor det kan lage et bilde. På denne måten kan det skapes et bilde uten tapene som normalt begrenser ytelsen.
Da denne ideen først ble foreslått i 2011, innså fysikere umiddelbart at det ville kreve et stort antall sammenfiltrede par, ett for hvert innkommende foton. Det er i området 1011 per sekund ved CHARA og størrelsesordener mer enn det som er mulig med dagens teknologi.
På grunn av dette har ideen om å bruke teleporteringsassisterte teleskoper svekket. Inntil nå.
Gjennombruddet som Khabiboulline og kollegene har gjort, er å finne ut hvordan kvanteinformasjonen fra stjernelys kan komprimeres og lagres og hvordan dette dramatisk reduserer mengden av sammenfiltring som kreves. Den nødvendige hastigheten for sammenfiltringsdistribusjon reduseres med flere størrelsesordener, noe som åpner for realistiske muligheter for å bruke kortsiktige kvantenettverk for høyoppløselig bildebehandling, sier de.
Teknologien som gjør dette mulig er kvanteminne. Dette er enheter som kan lagre en kvantetilstand og deretter overføre den. [Dette gir] en eksponentiell reduksjon i forbruket av sammenfiltrede ressurser, sammenlignet med minneløse ordninger, sier de.
Fysikere har nylig gjort betydelige fremskritt i å utvikle kvanteminner, drevet av ideen om at disse enhetene vil muliggjøre teknologier som kvanteinternett. Kvanteteleskoper er betydelig mer krevende på grunn av den nødvendige hastigheten av sammenfiltrede partikler. Men Khabiboulline og kollegene sier at dette nå ser mer praktisk ut.
Det er interessant arbeid som åpner for en helt ny tilnærming til astronomisk avbildning. Forslaget er at det vil muliggjøre en matrise med en grunnlinje i området 30 kilometer. Det vil øke oppløsningen på bildene betraktelig.
Men i prinsippet burde det være mulig å bygge matriser som er betydelig større enda, kanskje til og med jordens diameter. Det er et spennende perspektiv for fremtidens astronomer.
Ref: arxiv.org/abs/1809.03396 : Quantum-Assisted Telescope Arrays