Jurnal FM 
O nouă tehnică cuantică ar putea schimba modul în care studiem universul
#Postat de Antoniu Lovin on mai 31, 2022
Astronomia trece printr-o revoluție. Cercetarea exoplanetelor a progresat semnificativ în ultimii zece ani, astronomia undelor gravitaționale s-a dezvoltat ca o zonă nouă și au fost realizate primele fotografii ale găurilor negre supermasive (SMBH). Interferometria, un subiect similar, a evoluat enorm ca urmare a senzorilor foarte sensibili și a capacității de a schimba și integra date de la observatoarele din întreaga lume. Știința interferometriei de bază foarte lungă (VLBI), în special, deschide tărâmuri complet noi de potențial. Potrivit unui studiu recent al cercetătorilor australieni și singaporezi, o nouă abordare cuantică ar putea îmbunătăți VLBI optic. STIRAP înseamnă Stimulated Raman Adiabatic Passage și permite transportul datelor cuantice fără pierderi. Această abordare, dacă este imprimată într-un cod de corectare a erorilor cuantice, ar putea permite observații VLBI la lungimi de undă neobservabile până acum. Această tehnologie, atunci când este combinată cu detectoare de ultimă generație, ar putea permite investigații mai precise ale găurilor negre, exoplanetelor, sistemului solar și suprafețelor stelelor îndepărtate.
Sursa foto: thesciverse.com
Zixin Huang, cercetător de cercetare postdoctoral la Centrul pentru Sisteme Cuantice Inginerie (EQuS) al Universității Macquarie din Sydney, Australia, a condus studiul. Gavin Brennan, profesor de fizică teoretică la Universitatea Națională din Singapore (NUSDepartment) de Inginerie Electrică și Calculatoare și Centrul de Tehnologii Cuantice, și Yingkai Ouyang, cercetător senior la Centrul de Tehnologii Cuantice al NUS, au însoțit-o. Altfel spus, interferometria este o metodă care implică combinarea luminii de la mai multe telescoape pentru a realiza fotografii ale unui obiect care altfel ar fi imposibil de rezolvat. Interferometria de bază foarte lungă este o tehnică de radioastronomie care combină semnale de la surse radio astronomice (găuri negre, quasari, pulsari, nebuloase care formează stele și așa mai departe) pentru a oferi imagini precise ale structurii și activității lor. VLBI a produs în ultimii ani cele mai cuprinzătoare fotografii ale stelelor care înconjoară Sagitarrius A* (Sgr A*), SMBH din inima galaxiei noastre. De asemenea, a permis Colaborarea Event Horizon Telescope (EHT) să facă prima fotografie a unei găuri negre (M87*) și a Sgr A*! Interferometria clasică, totuși, este încă îngreunată de diverse restricții fizice, inclusiv pierderea de informații, zgomotul și faptul că lumina colectată este de obicei cuantică, așa cum au subliniat în munca lor. VLBI ar putea fi utilizat pentru studii astronomice considerabil mai fine dacă aceste restricții sunt abordate.
„Sistemele actuale de ultimă generație de imagini de bază funcționează în banda de microunde a spectrului electromagnetic”, a spus dr. Huang pentru Universe Today prin e-mail. Pentru a realiza interferometria optică, toate componentele interferometrului trebuie să fie stabile la o fracțiune de lungime de undă a luminii, permițând luminii să interfereze. Acest lucru este extrem de dificil de realizat pe distanțe lungi: sursele de zgomot includ dispozitivul în sine, dilatarea și contracția termică, vibrațiile și așa mai departe; în plus, există pierderi legate de componentele optice. „Scopul acestei linii de studiu este să ne permită să trecem de la microunde la frecvențele optice; aceste abordări sunt aplicabile și în infraroșu. În cuptorul cu microunde, putem deja să facem interferometrie de bază mare. Cu toate acestea, la frecvențele optice, chiar și cele mai rapide electronica nu poate înregistra direct oscilațiile câmpului electric, ceea ce face această sarcină extrem de dificilă.” Potrivit dr. Huang și echipa ei, utilizarea tehnicilor de comunicare cuantică precum Pasajul Adiabatic Raman stimulat este cheia pentru a depăși aceste constrângeri. STIRAP funcționează prin transferul de informații optice între două stări cuantice utilizând două impulsuri de lumină coerente. Potrivit lui Huang, atunci când este folosit cu VLBI, ar permite transferuri eficiente și selective de populație între stările cuantice, fără dificultățile normale de zgomot sau pierdere.
Mecanismul pe care ei îl prevăd ar presupune cuplarea coerentă a luminii stelare în stări atomice „negre” care nu radiază, așa cum descriu ei în studiul lor („Imaging stars via quantum error corection”). Potrivit lui Huang, următorul pas este combinarea luminii cu corecția erorilor cuantice (QEC), o abordare de calcul cuantic care protejează informațiile cuantice de greșelile cauzate de decoerență și alte „zgomote cuantice”. Cu toate acestea, după cum subliniază Huang, această abordare ar putea permite interferometrie mai precisă și detaliată: „Pentru a simula un interferometru optic uriaș, lumina trebuie adunată și procesată într-un mod coerent și vă sugerăm să folosiți corecția cuantică a erorilor pentru a reduce greșelile cauzate de pierderea și zgomotul în acest proces.” „Corectarea erorilor cuantice este un domeniu în creștere rapidă al cărui scop principal este să permită calculul cuantic scalabil în fața greșelilor.” Putem prelua informațiile de care avem nevoie de la lumina stelelor în timp ce scădem zgomotul folosind încurcarea pre-distribuită împreună cu aceasta.”
Pentru a-și pune ideea la încercare, cercetătorii și-au imaginat o situație în care lumina cerească este colectată de două instalații (Alice și Bob) separate de o distanță mare. Fiecare are încrucișare predistribuită și „memorie cuantică” în care este prinsă lumina, precum și propriul set de date cuantice (qubiți) pe care le convertește într-un cod QEC. Un decodor imprimă stările cuantice dobândite pe un cod QEC comun, care securizează datele de viitoare operațiuni zgomotoase. Semnalul este înregistrat în memoria cuantică în pasul „coder” folosind tehnologia STIRAP, care permite luminii primite să fie conectată în mod coerent într-o stare non-radiativă a unui atom. Ar fi un schimbător de joc pentru interferometrie să poată colecta lumină din surse astronomice care ține cont de stările cuantice (și elimină zgomotul cuantic și pierderea de informații).
Mai mult, aceste progrese ar avea repercusiuni de anvergură asupra altor ramuri ale astronomiei care sunt acum în curs de transformări. „O astfel de rețea de imagistică cuantică ar crește rezoluția imaginii cu trei până la cinci ordine de mărime prin trecerea la frecvențe optice”, a adăugat Huang. „Ar fi suficient de puternic să fotografiați planete minuscule care orbitează în jurul stelelor din apropiere, caracteristici ale sistemelor solare, cinematica suprafețelor stelare, discuri de acreție și, probabil, detalii din jurul orizontului evenimentelor găurii negre – niciuna dintre acestea nu poate fi rezolvată prin programele actuale.” Telescopul spațial James Webb (JWST) va caracteriza atmosferele exoplanetelor ca niciodată în viitorul apropiat, datorită gamei sale sofisticate de echipamente de imagistică în infraroșu. Observatoarele de la sol, cum ar fi Telescopul Extrem de Mare (ELT), Telescopul Giant Magellan (GMT) și Telescopul de 30 de metri nu fac excepție (TMT). Aceste observatoare vor permite investigații imagistice directe ale exoplanetelor, dezvăluind informații vitale despre suprafețele și atmosferele lor, datorită oglinzilor lor principale enorme, opticii adaptive, corongrafelor și spectrometrelor. Observatoarele vor avea un alt mijloc de a obține fotografii ale unora dintre cele mai inaccesibile și greu de văzut obiecte din Universul nostru prin combinarea noilor tehnici cuantice cu VLBI. Secretele pe care acest lucru le-ar putea descoperi sunt cu siguranță revoluționare. Sursa: thesciverse.com
