211service.com
Hur man bygger ett teleportationsassisterat teleskop
Stora teleskop är på modet; bättre eftersom de samlar in mer ljus och producerar bilder med högre upplösning. Det största optiska teleskopet är för närvarande Gran Telescopio Canarias på Kanarieöarna, som har en primärspegel med en diameter på 10,4 meter.
Detta kommer snart att dvärgas av det Extremely Large Telescope som för närvarande är under uppbyggnad i Chile, som när det slås på 2024 kommer att ha en primärspegel på nästan 40 meter i diameter. Det kommer också att ha kostat cirka 1 miljard dollar att bygga.
Men det finns ett billigare sätt att göra teleskop större - bygg en rad mindre och kombinera ljuset från dem med en interferometer. Den mest kraftfulla av dessa är CHARA, som ligger på Mount Wilson i Kalifornien. CHARA består av sex enmetersteleskop separerade på ett sätt som ger dem en upplösning som motsvarar en spegel på 330 meter.
Detta ger mycket högre upplösningsbilder än något konventionellt teleskop. 2013 tog CHARA de första bilderna av stjärnfläckar på ytan av en annan sol, Zeta Andromedae, cirka 180 ljusår härifrån.
Men det finns ett problem med gigantiska optiska arrayer. Ljuset som samlas in vid varje teleskop måste matas till en central interferometer som kombinerar fotonerna för att skapa en bild. Fotoner går dock oundvikligen förlorade i överföringsprocessen, och detta begränsar avsevärt bildprestandan.
Som ett resultat kan CHARA och andra liknande arrayer endast avbilda ljusa stjärnor. Och utsikterna för att bygga större arrayer ser dystra ut.
Ange Emil Khabiboulline och kollegor vid Harvard University i Cambridge, Massachusetts, som idag visar hur kvantmekanikens märkliga lagar kan hjälpa till att lösa detta problem. De säger att kvantassisterade teleskop avsevärt skulle kunna öka den maximala storleken på dessa arrayer och upplösningen på de bilder de kan producera.
Först lite bakgrund. Fysiker har länge vetat att kvantpartiklar skapade vid samma punkt i universum delar samma existens. Detta skapar en koppling mellan dem som överlever även när de är åtskilda av enorma avstånd. Denna koppling kallas entanglement, och fysiker har redan utnyttjat den för att skicka kvantinformation över rymden och för att teleportera kvantpartiklar från en plats till en annan.
Teleportering börjar med ett par intrasslade partiklar, kalla dem A och B. När ett av detta par, A, interagerar med en tredje partikel, sänds kvantinformationen från denna tredje partikel över den intrasslade länken till partikel B, som tar på sig sin identitet.
Det är som om den tredje partikeln har färdats från en plats till en annan utan att passera genom utrymmet däremellan. Det är därför fysiker kallar det teleportering.
Det är denna process av teleportering som kvantassisterade teleskop kommer att utnyttja. Idén, som först föreslogs 2011, är att skapa en konstant ström av intrasslade par. En av paret bor vid teleskopet, medan den andra reser till den centrala interferometern.
När en foton kommer från en avlägsen stjärna interagerar den med en av detta par och teleporteras omedelbart till interferometern, där den kan skapa en bild. På så sätt kan en bild skapas utan de förluster som normalt sett begränsar prestandan.
När denna idé först föreslogs 2011, insåg fysiker omedelbart att det skulle kräva ett stort antal intrasslade par, ett för varje inkommande foton. Det är i området 1011 per sekund vid CHARA och storleksordningar mer än vad som är möjligt med nuvarande teknik.
På grund av detta har tanken på att använda teleporteringsassisterade teleskop försvunnit. Tills nu.
Genombrottet som Khabiboulline och kollegor har gjort är att ta reda på hur kvantinformationen från stjärnljus kan komprimeras och lagras och hur detta dramatiskt minskar mängden intrassling som krävs. Den nödvändiga hastigheten för intrasslingsfördelning minskas med flera storleksordningar, vilket öppnar upp realistiska möjligheter för att använda kortsiktiga kvantnätverk för högupplöst bildbehandling, säger de.
Tekniken som gör detta möjligt är kvantminne. Dessa är enheter som kan lagra ett kvanttillstånd och sedan överföra det. [Detta ger] en exponentiell minskning av förbrukningen av intrasslade resurser, jämfört med minneslösa system, säger de.
Fysiker har nyligen gjort betydande framsteg i utvecklingen av kvantminnen, drivna av tanken att dessa enheter kommer att möjliggöra teknologier som ett kvantinternet. Kvantteleskop är betydligt mer krävande på grund av den erforderliga mängden intrasslade partiklar. Men Khabiboulline och kollegor säger att detta nu ser mer praktiskt ut.
Det är intressant arbete som öppnar upp för ett helt nytt tillvägagångssätt för astronomisk avbildning. Förslaget är att det kommer att möjliggöra en array med en baslinje i området 30 kilometer. Det kommer att öka upplösningen på bilderna avsevärt.
Men i princip borde det vara möjligt att bygga arrayer som fortfarande är betydligt större, kanske till och med jordens diameter. Det är ett spännande perspektiv för framtidens astronomer.
Ref: arxiv.org/abs/1809.03396 : Quantum-Assisted Telescope Arrays