Teleskopi su prošli dugi put u posljednjih nekoliko stoljeća. Iz razmjerno skromnih uređaja koje su izgradili astronomi poput Galilea Galileija i Johannesa Keplera, teleskopi su se razvili da postanu masivni instrumenti kojima je potrebno čitavo postrojenje za smještaj i kompletna posada i mreža računala kako bi ih pokrenuli. U narednim će se godinama izgraditi mnogo veći opservatoriji koji mogu učiniti još više.
Nažalost, ovaj trend prema većim i većim instrumentima ima brojne nedostatke. Za početak, sve veće promatračke stanice zahtijevaju ili sve veća zrcala ili mnogo teleskopa koji rade zajedno - a oba su skupa izgleda. Srećom, tim s MIT-a predložio je kombiniranje interferometrije s kvantnom teleportacijom, što bi moglo značajno povećati razlučivost nizova ne oslanjajući se na veća zrcala.
Jednostavno rečeno, interferometrija je postupak u kojem svjetlost dobiva više manjih teleskopa, a zatim ih kombinira da rekonstruira slike onoga što su opazili. U ovom se procesu koriste uređaji poput Interferometra za vrlo veliki teleskop (VLTI) u Čileu i Centar za astronomiju visoke kutne razlučivosti (CHARA) u Kaliforniji.
Prvi se oslanja na četiri glavna ogledala od 8,2 metra i četiri pomična 1,8 m (5,9 ft) pomoćna teleskopa - što mu daje rezoluciju ekvivalentnu zrcalu od 140 m (460 ft) - dok se drugi oslanja na šest metar teleskop, koji mu daje rezoluciju ekvivalentnu zrcalu od 330 m (1083 ft). Ukratko, interferometrija omogućava da teleskopski nizovi proizvode slike veće razlučivosti nego što bi to inače bilo moguće.
Jedan od nedostataka je taj što se fotoni neizbježno gube tijekom procesa prijenosa. Kao rezultat, nizovi poput VLTI i CHARA mogu se koristiti samo za gledanje svijetlih zvijezda, a izgradnja većih nizova da se to nadoknadi ponovno postavlja pitanje troškova. Kao što je Johannes Borregaard - postdoktorski suradnik Centra za matematiku kvantne teorije (QMATH) Sveučilišta u Kopenhagenu i koautor na članku - rekao je Space Magazine putem e-pošte:
"Jedan od izazova astronomskih slika je dobra razlučivost. Rezolucija je mjera koliko malene značajke možete slikati, a ona se u konačnici postavlja omjerom između valne duljine svjetlosti koju sakupljate i veličine vašeg aparata (Rayleigh-ova granica). Teleskopski nizovi funkcioniraju kao jedan divovski aparat i što veći sterez napravite, dobivate bolju razlučivost. "
Ali naravno, to dolazi uz vrlo visoku cijenu. Primjerice, Ekstremno veliki teleskop, koji se trenutno gradi u pustinji Atacama u Čileu, bit će najveći optički i blizu infracrveni teleskop na svijetu. Kada je prvi put predložen 2012. godine, ESO je naznačio da će projekt koštati oko milijardu eura (1,12 milijardi USD) na temelju cijena iz 2012. godine. Prilagođeno inflaciji, to će u 2018. godini izraditi 1,23 milijarde dolara i otprilike 1,47 milijardi dolara (uz pretpostavku da će stopa inflacije biti 3%) do 2024. godine, kada planira završiti gradnja.
"Nadalje, astronomski izvori često nisu baš sjajni u optičkom režimu", dodao je Borregaard. „Iako postoje brojne klasične tehnike stabilizacije za rješavanje prve, posljednja predstavlja osnovni problem za normalno funkcioniranje teleskopskih nizova. Standardna tehnika lokalnog snimanja svjetlosti na svakom teleskopu rezultira prevelikim šumom da bi djelovao na slabe izvore svjetla. Kao rezultat, svi trenutni nizovi optičkih teleskopa djeluju kombinirajući svjetlost iz različitih teleskopa izravno na jednoj mjernoj stanici. Cijena koju treba platiti je prigušenje svjetla u prijenosu na mjernu stanicu. Ovaj gubitak ozbiljno je ograničenje za izgradnju vrlo velikih teleskopskih nizova u optičkom režimu (trenutni optički nizi imaju veličine od ~ 300 m) i konačno će ograničiti razlučivost nakon uspostave učinkovite tehnike stabilizacije. "
Na to, tim s Harvarda - na čelu s Emilom Khabiboulline-om, studentom diplomskog studija na Harvard-ovom Odjelu za fiziku - sugerira oslanjanje na kvantnu teleportaciju. U kvantnoj fizici teleportacija opisuje postupak u kojem se svojstva čestica prenose s jedne lokacije na drugu pomoću kvantnog upletanja. To bi, kako objašnjava Borregard, omogućilo stvaranje slika bez gubitaka koji nastaju kod normalnih interferometra:
"Jedno ključno zapažanje je da zapletenost, svojstvo kvantne mehanike, omogućava nam slanje kvantnog stanja s jednog mjesta na drugo bez da ga fizički prenosimo, u procesu zvanom kvantna teleportacija. Ovdje se svjetlost iz teleskopa može „teleportirati“ na mjernu stanicu, zaobilazeći sve gubitke u prijenosu. Ova bi tehnika u načelu omogućila niz proizvoljnih veličina koji pretpostavljaju druge izazove, poput stabilizacije. "
Kad se koristi za postizanje kvantno potpomognutih teleskopa, ideja bi bila stvoriti stalan tok zapletenih parova. Dok bi jedna od uparenih čestica stajala u teleskopu, druga bi putovala do središnjeg interferometra. Kad foton stigne s udaljene zvijezde, on će komunicirati s jednim od ovih para i odmah biti teleportiran na interferometar kako bi stvorio sliku.
Pomoću ove metode mogu se stvoriti slike s gubicima koji nastaju kod normalnih interferometra. Ideju su prvi predložili 2011. godine Gottesman, Jennewein i Croke sa Sveučilišta u Waterloou. Tada su oni i drugi istraživači shvatili da bi taj koncept trebao generirati zapleteni par za svaki dolazni foton, što je u redoslijedu trilijuna parova u sekundi.
To jednostavno nije bilo moguće upotrebom tadašnje tehnologije; ali zahvaljujući nedavnim dostignućima u kvantnom računanju i pohrani, to je sad moguće. Kao što je Borregaard naznačio:
„[W]ocrtajte kako se svjetlost može komprimirati u mala kvantna sjećanja koja čuvaju kvantne informacije. Takva se kvantna sjećanja mogu sastojati od atoma koji komuniciraju sa svjetlošću. Tehnike prijenosa kvantnog stanja svjetlosnog impulsa u atom već su pokazane već nekoliko puta u eksperimentima. Kao rezultat kompresije u memoriju, upotrebljavamo znatno manje zapletenih parova u usporedbi sa shemama koje pamte poput one Gottesman et al. Na primjer, za zvijezdu magnitude 10 i mjerni opseg od 10 GHz, naša shema zahtijeva ~ 200 kHz brzine upletenosti koristeći 20-kbitnu memoriju umjesto 10 GHz prije. Takve su specifikacije izvedive s trenutnom tehnologijom i slabije zvijezde rezultirale bi još većim uštedama sa samo malo većim uspomenama. "
Ova metoda mogla bi dovesti do nekih posve novih prilika kada je u pitanju astronomsko snimanje. Za jednu, to će dramatično povećati razlučivost slika i možda će omogućiti da nizovi postignu razlučivosti koja su jednaka razlici zrcala na 30 km. Uz to, astronomi bi mogli omogućiti otkrivanje i proučavanje egzoplaneta pomoću tehnike izravnog snimanja s razlučivostima do razine mikro-arsekunde.
"Trenutni rekord iznosi oko mil-arcsekundi", rekao je Borregaard. „Takvo povećanje razlučivosti omogućit će astronomima pristup brojnim novim astronomskim granicama, u rasponu od utvrđivanja karakteristika planetarnih sustava do proučavanja cefida i interaktivnih binarnih zapisa… Od interesa za dizajnere astronomskih teleskopa, naša bi shema bila vrlo pogodna za primjenu u svemiru, gdje je stabilizacija manja. Svemirski optički teleskop u mjerilu 10 ^ 4 kilometra bio bi doista vrlo moćan. "
U narednim desetljećima postavit će se mnogi svemirske i zemaljske opservatorije za izgradnju ili uporabu. Očekuje se da će ovi instrumenti ponuditi znatno povećanu razlučivost i sposobnost. Uz dodatak kvantno potpomognute tehnologije, ove bi opservatorije čak mogle razriješiti tajne tamne materije i tamne energije i detaljno proučavati van-solarne planete.
Studija tima, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", nedavno se pojavila na mreži. Osim Khabiboullinea i Borregaarda, studiju su napisali Kristiaan De Greve (postdoktorski suradnik s Harvarda) i Mikhail Lukin - profesor fizike na Harvardu i voditelj Lukin grupe u laboratoriju za kvantnu optiku u Harvardu.
