Jurnal FM 
O nouă tehnică cuantică ar putea crea telescoape de dimensiunea planetei Pământ
#Postat de Antoniu Lovin on mai 30, 2022
Este o revoluție în curs de desfășurare în astronomie. De fapt, ați putea spune că sunt mai multe. În ultimii zece ani, studiile exoplanetelor au avansat considerabil, astronomia undelor gravitaționale a apărut ca un domeniu nou și au fost surprinse primele imagini ale găurilor negre supermasive (SMBH). Un domeniu înrudit, interferometria, a avansat, de asemenea, incredibil datorită instrumentelor extrem de sensibile și capacității de a partaja și combina date de la observatoare din întreaga lume. În special, știința interferometriei de bază foarte lungă (VLBI) deschide tărâmuri complet noi de posibilități. Potrivit unui studiu recent realizat de cercetători din Australia și Singapore, o nouă tehnică cuantică ar putea îmbunătăți VLBI optic. Este cunoscut sub numele de Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), care permite transferul informațiilor cuantice fără pierderi. Când este imprimată într-un cod de corectare a erorilor cuantice, această tehnică ar putea permite observații VLBI în lungimi de undă inaccesibile anterior. Odată integrată cu instrumente de ultimă generație, această tehnică ar putea permite studii mai detaliate ale găurilor negre, exoplanetelor,
Sistemului Solar și suprafețelor stelelor îndepărtate. Cercetarea a fost condusă de Zixin Huang, cercetător postdoctoral la Centrul pentru Sisteme Cuantice Inginerie (EQuS) de la Universitatea Macquarie din Sydney, Australia. Ei i s-au alăturat Gavin Brennan, profesor de fizică teoretică la Departamentul de Inginerie Electrică și Calculatoare și Centrul de Tehnologii Cuantice de la Universitatea Națională din Singapore (NUS) și Yingkai Ouyang, cercetător senior la Centrul de Tehnologii Cuantice. la NUS. Pentru a spune clar, tehnica interferometriei constă în combinarea luminii de la diverse telescoape pentru a crea imagini ale unui obiect care altfel ar fi prea greu de rezolvat. Interferometria de bază foarte lungă se referă la o tehnică specifică utilizată în radioastronomie în care semnalele de la o sursă radio astronomică (găuri negre, quasari, pulsari, nebuloase care formează stele etc.) sunt combinate pentru a crea imagini detaliate ale structurii și activității lor.
Sursa foto: guardianmag.press
În ultimii ani, VLBI a oferit cele mai detaliate imagini ale stelelor care orbitează în jurul lui Sagitarrius A* (Sgr A), SMBH din centrul galaxiei noastre. De asemenea, le-a permis astronomilor cu colaborarea Event Horizon Telescope (EHT) să surprindă prima imagine a unei găuri negre (M87) și a lui Sgr A*! Dar, așa cum au indicat în studiul lor, interferometria clasică este încă împiedicată de câteva limitări fizice, inclusiv pierderea de informații, zgomotul și faptul că lumina obținută este în general de natură cuantică (unde fotonii sunt încurși). Prin abordarea acestor limitări, VLBI ar putea fi utilizat pentru studii astronomice mult mai fine. Dr. Huang a spus pentru Universe Today prin e-mail: „Sistemele actuale de ultimă generație de imagine mari de bază funcționează în banda de microunde a spectrului electromagnetic. Pentru a realiza interferometria optică, aveți nevoie ca toate părțile interferometrului să fie stabile la o fracțiune de lungime de undă a luminii, astfel încât lumina să poată interfera. Acest lucru este foarte greu de realizat pe distanțe mari: sursele de zgomot pot proveni de la instrumentul însuși, dilatarea și contracția termică, vibrațiile etc.; și pe deasupra, există pierderi asociate elementelor optice.
„Ideea acestei linii de cercetare este să ne permită să trecem la frecvențele optice de la microunde; aceste tehnici se aplică în mod egal și în infraroșu. Putem deja să facem interferometrie de bază mare în cuptorul cu microunde. Cu toate acestea, această sarcină devine foarte dificilă în frecvențele optice, deoarece nici cea mai rapidă electronică nu poate măsura direct oscilațiile câmpului electric la aceste frecvențe.” Cheia pentru depășirea acestor limitări, spune dr. Huang și colegii ei, este utilizarea tehnicilor de comunicare cuantică precum Pasajul Adiabatic Raman Stimulat. STIRAP constă în utilizarea a două impulsuri de lumină coerente pentru a transfera informații optice între două stări cuantice aplicabile. Când este aplicat la VLBI, a spus Huang, acesta va permite transferuri eficiente și selective de populație între stările cuantice, fără a suferi de problemele obișnuite de zgomot sau pierderi. Așa cum descriu ei în lucrarea lor („Imagini stelelor cu corecție a erorilor cuantice”), procesul pe care îl au în vedere ar implica cuplarea coerentă a luminii stelare în stări atomice „întunecate” care nu radiază. Următorul pas, a spus Huang, este cuplarea luminii cu corecția erorilor cuantice (QEC), o tehnică folosită în calculul cuantic pentru a proteja informațiile cuantice de erori datorate decoerenței și altor „zgomote cuantice”.
Dar, după cum indică Huang, aceeași tehnică ar putea permite interferometrie mai detaliată și mai precisă: „Pentru a imita un interferometru optic mare, lumina trebuie colectată și procesată în mod coerent și ne propunem să folosim corecția cuantică a erorilor pentru a atenua erorile datorate pierderii și zgomotului în acest proces. „Corectarea erorilor cuantice este un domeniu în dezvoltare rapidă, concentrat în principal pe permiterea calculului cuantic scalabil în prezența erorilor. În combinație cu încurcarea pre-distribuită, putem efectua operațiunile care extrag informațiile de care avem nevoie din lumina stelelor în timp ce suprimăm zgomotul.” Pentru a-și testa teoria, echipa a luat în considerare un scenariu în care două facilități (Alice și Bob) separate de distanțe mari colectează lumină astronomică. Fiecare împărtășește un amestec pre-distribuit și conține „amintiri cuantice” în care este captată lumina și fiecare își pregătește propriul set de date cuantice (qubiți) într-un cod QEC. Stările cuantice primite sunt apoi imprimate pe un cod QEC partajat de un decodor, care protejează datele de operațiunile zgomotoase ulterioare. În etapa „coder”, semnalul este captat în memoriile cuantice prin tehnica STIRAP, care permite luminii primite să fie cuplată coerent într-o stare non-radiativă a unui atom. Capacitatea de a capta lumina din surse astronomice care țin cont de stările cuantice (și elimină zgomotul cuantic și pierderea de informații) ar schimba jocul pentru interferometrie. Mai mult, aceste îmbunătățiri ar avea implicații semnificative pentru alte domenii ale astronomiei care sunt și ele revoluționate astăzi. „Prin trecerea la frecvențele optice, o astfel de rețea de imagistică cuantică va îmbunătăți rezoluția imaginilor cu trei până la cinci ordine de mărime”, a spus Huang. „Ar fi suficient de puternic să imaginezi planete mici în jurul stelelor din apropiere, detalii ale sistemelor solare, cinematica suprafețelor stelare, discuri de acreție și, eventual, detalii din jurul orizontului de evenimente ale găurilor negre – dintre care niciunul dintre proiectele planificate în prezent nu le poate rezolva.”
În viitorul apropiat, telescopul spațial James Webb (JWST) va folosi suita sa avansată de instrumente de imagistică în infraroșu pentru a caracteriza atmosferele exoplanetelor ca niciodată. Același lucru este valabil și pentru observatoarele de la sol precum Telescopul Extrem de Mare (ELT), Telescopul Giant Magellan (GMT) și Telescopul de treizeci de metri (TMT). Între oglinzile lor primare mari, optica adaptivă, corongrafele și spectrometrele, aceste observatoare vor permite studii imagistice directe ale exoplanetelor, oferind informații valoroase despre suprafețele și atmosferele lor. Profitând de noile tehnici cuantice și integrându-le cu VLBI, observatoarele vor avea o altă modalitate de a captura imagini ale unora dintre cele mai inaccesibile și greu de văzut obiecte din Universul nostru. Secretele pe care asta le-ar putea dezvălui sunt cu siguranță (ultima dată, promit!) revoluționare! Sursa: guardianmag.press
