Teleskopi so v zadnjih nekaj stoletjih prišli daleč. Iz sorazmerno skromnih naprav, ki sta jih zgradila astronoma, kot sta Galileo Galilei in Johannes Kepler, so se teleskopi razvili v ogromne instrumente, ki potrebujejo celoten objekt, v katerem so nameščeni, in celotno posadko in mrežo računalnikov, s katerimi jih upravljajo. In v prihodnjih letih bodo zgrajene veliko večje opazovalnice, ki lahko naredijo še več.
Na žalost ima ta trend k večjim in večjim instrumentom številne pomanjkljivosti. Za začetek vedno večje opazovalnice potrebujejo bodisi vedno večja ogledala bodisi številne teleskope, ki delajo skupaj - oba sta draga. Na srečo je ekipa iz MIT predlagala kombiniranje interferometrije s kvantno teleportacijo, kar bi lahko znatno povečalo ločljivost nizov, ne da bi se zanašali na večja ogledala.
Preprosto povedano, interferometrija je postopek, pri katerem svetlobo pridobivajo več manjših teleskopov in jih nato kombinirajo, da rekonstruirajo slike tega, kar so opazili. Ta postopek uporabljajo takšni objekti, kot sta zelo velik teleskopski interferometer (VLTI) v Čilu in Center za visoko-kotno ločljivo astronomijo (CHARA) v Kaliforniji.
Prvi se opira na štiri 8,2 m glavna ogledala in štiri pomične 1,8 m (5,9 ft) pomožne teleskope - kar mu daje ločljivost, enako 140 m (460 ft) ogledalo - medtem ko se zadnji opira na šest enometer teleskop, ki mu omogoča ločljivost, enako ekvivalentu 330 m (1083 ft) ogledala. Skratka, interferometrija omogoča teleskopskim matricam, da ustvarijo slike višje ločljivosti, kot bi sicer bilo mogoče.
Ena izmed pomanjkljivosti je, da se fotoni med prenosom neizogibno izgubljajo. Kot rezultat, se matriki, kot sta VLTI in CHARA, lahko uporabljajo samo za ogled svetlih zvezd, gradnja večjih nizov, da bi to nadoknadili, pa spet sproža vprašanje stroškov. Kot je za Space Magazine po e-pošti povedal Johannes Borregaard - podoktorski sodelavec Centra za matematiko kvantne teorije (KMATH) Univerze v Kopenhagnu in soavtor prispevka:
„Eden izzivov astronomskih slik je, da dobimo dobro ločljivost. Ločljivost je merilo, kako majhne so funkcije, ki jih lahko posnamete, in na koncu se določi z razmerjem med valovno dolžino svetlobe, ki jo zbirate, in velikostjo vašega aparata (Rayleigh-ova meja). Teleskopske matrike delujejo kot velikanski aparat in večja je matrika boljša ločljivost. "
Seveda pa gre za zelo visoke stroške. Na primer, izjemno velik teleskop, ki ga trenutno gradijo v puščavi Atacama v Čilu, bo največji optični in skoraj infrardeči teleskop na svetu. ESO je, ko je bil prvič predlagan leta 2012, navedel, da bo projekt stal približno 1 milijardo EUR (1,12 milijarde USD) na podlagi cen iz leta 2012. Prilagojena za inflacijo se v letu 2018 izkaže za 1,23 milijarde dolarjev in do leta 2024, ko naj bi bila gradnja predvidoma končana, približno 1,47 milijarde ameriških dolarjev (ob predpostavki 3-odstotne stopnje inflacije).
"Poleg tega astronomski viri pogosto niso zelo svetli v optičnem režimu," je dodal Borregaard. „Medtem ko obstaja več klasičnih tehnik stabilizacije za reševanje prvega, slednja predstavlja temeljni problem za normalno delovanje teleskopskih nizov. Standardna tehnika lokalnega snemanja svetlobe pri vsakem teleskopu povzroči preveč hrupa, da bi lahko deloval na šibke svetlobne vire. Kot rezultat, vsi trenutni nizi optičnih teleskopov delujejo s kombiniranjem svetlobe iz različnih teleskopov neposredno na eni merilni postaji. Cena, ki jo je treba plačati, je slabljenje svetlobe pri prenosu na merilno postajo. Ta izguba je resna omejitev za gradnjo zelo velikih teleskopskih nizov v optičnem režimu (trenutni optični nizi imajo velikosti največ ~ 300 m) in bodo končno omejili ločljivost, ko bodo uvedene učinkovite stabilizacijske tehnike. "
V ta namen se s Harvarda, ki ga vodi Emil Khabiboulline, študent na Harvardovem oddelku za fiziko, predlaga, da se opirajo na kvantno teleportacijo. V kvantni fiziki teleportacija opisuje postopek, pri katerem se lastnosti delcev prenašajo z ene lokacije na drugo s pomočjo kvantnega zapletanja. To bi, kot pojasnjuje Borregard, omogočilo ustvarjanje slik brez izgub, ki jih imajo običajni interferometri:
"Ključno opazovanje je, da nam zapletanje, lastnost kvantne mehanike, omogoča, da pošljemo kvantno stanje z ene lokacije na drugo, ne da bi ga fizično prenesli, v procesu, imenovanem kvantna teleportacija. Tu se lahko svetloba iz teleskopov "teleportira" do merilne postaje in tako zaobide vse izgube pri prenosu. Ta tehnika bi načeloma omogočala poljubne nize poljubnih velikosti, pri katerih bi se reševali drugi izzivi, kot je stabilizacija. "
Ko bi se uporabljali zaradi teleskopov s kvantno pomočjo, bi bila ideja ustvariti stalen tok zapletenih parov. Medtem ko bi eden od parnih delcev prebival pri teleskopu, bi drugi potoval do centralnega interferometra. Ko foton prispe iz daljne zvezde, bo ta deloval z enim od teh parov in se takoj teleportiral na interferometer, da bi ustvaril sliko.
S to metodo lahko slike ustvarite z izgubami, ki nastanejo pri običajnih interferometrih. Idejo so leta 2011 prvič predlagali Gottesman, Jennewein in Croke z univerze v Waterloou. Takrat so oni in drugi raziskovalci razumeli, da bo moral koncept generirati zapleteni par za vsak prihajajoči foton, kar je na vrsti trilijonov parov na sekundo.
To preprosto ni bilo mogoče uporabiti s trenutno veljavno tehnologijo; toda zahvaljujoč nedavnemu razvoju kvantnega računalništva in shranjevanja je to zdaj mogoče. Kot je Borregaard navedel:
„[W]oris, kako se lahko svetloba stisne v majhne kvantne spomine, ki ohranjajo kvantne informacije. Takšni kvantni spomini bi lahko sestavljali atome, ki vplivajo na svetlobo. Tehnike prenosa kvantnega stanja svetlobnega impulza v atom so bile že večkrat dokazane v poskusih. Kot rezultat stiskanja v pomnilniku porabimo bistveno manj zapletenih parov v primerjavi s shemami brez spomina, kakršna sta Gottesman et al. Na primer, za zvezdo z magnitudo 10 in merilno pasovno širino 10 GHz naša shema zahteva ~ 200 kHz hitrosti prepletanja z uporabo 20-quit pomnilnika namesto 10 GHz prej. Takšne specifikacije so s trenutno tehnologijo izvedljive in nežnejše zvezde bi prinesle še večje prihranke z le nekoliko večjimi spomini. "
Ta metoda bi lahko pripeljala do nekaterih povsem novih priložnosti, ko gre za astronomsko slikanje. Prvič, to bo močno povečalo ločljivost slik in morda omogočilo, da matriki dosežejo ločljivosti, ki so enakovredne resoluciji 30 km ogledala. Poleg tega bi astronomom lahko omogočili zaznavanje in preučevanje eksoplanetov z uporabo tehnike neposrednega slikanja z ločljivostmi do mikro-arsekunde.
"Trenutni zapis je približno mili-arcsekunde," je dejal Borregaard. "Takšno povečanje ločljivosti bo astronomom omogočilo dostop do številnih novih astronomskih meja, od določitve značilnosti planetarnih sistemov do preučevanja cefeidov in medsebojnih dvojišč ... Zanimajo nas oblikovalci astronomskih teleskopov, naša shema bi bila zelo primerna za uporabo v vesolju, kjer je stabilizacija manj pomembna. Vesoljski optični teleskop v merilu od 10 do 4 kilometre bi bil pravzaprav zelo močan. "
V prihodnjih desetletjih bodo postavili ali uporabili veliko vesoljskih opazovalnic naslednje generacije in zemeljskih opazovalnic. Pričakuje se, da bodo ti instrumenti nudili močno povečano ločljivost in zmogljivosti. Z dodatkom kvantne tehnologije bi lahko ta opazovalna mesta celo razrešila skrivnosti temne snovi in temne energije ter izredno natančno preučevala zunaj sončne planete.
Nedavno se je v spletu pojavila študija skupine "Quantum Assisted Telescope Arrays". Poleg Khabiboullineja in Borregaarda sta bila soavtorja Kristiaan De Greve (podoktorski študent s Harvarda) in Mihail Lukin - profesor s področja fizike na Harvardu in vodja skupine Lukin v laboratoriju za kvantno optiko v Harvardu.
