(sakkmesterke/iStock/Getty Images) In der Astronomie ist eine Revolution im Gange. Tatsächlich könnte man sagen, dass es mehrere gibt. In den letzten zehn Jahren hat die Erforschung von Exoplaneten erhebliche Fortschritte gemacht. Gravitationswelle Die Astronomie hat sich als neues Fachgebiet herauskristallisiert und die ersten Bilder supermassereicher Materie gemacht Schwarze Löcher (SMBHs) wurden erfasst.
Auch ein verwandtes Gebiet, die Interferometrie, hat dank hochempfindlicher Instrumente und der Möglichkeit, Daten von Observatorien weltweit auszutauschen und zu kombinieren, enorme Fortschritte gemacht. Insbesondere die Wissenschaft von Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI) eröffnet völlig neue Möglichkeiten.
Laut einer aktuellen Studie von Forschern aus Australien und Singapur könnte eine neue Quantentechnik das optische VLBI verbessern. Es ist bekannt als Stimulierte adiabatische Raman-Passage (STIRAP), das eine verlustfreie Übertragung von Quanteninformationen ermöglicht.
Wenn diese Technik in einen Quantenfehlerkorrekturcode eingeprägt wird, könnte sie VLBI-Beobachtungen in bisher unzugänglichen Wellenlängen ermöglichen. Nach der Integration in Instrumente der nächsten Generation könnte diese Technik detailliertere Untersuchungen von Schwarzen Löchern, Exoplaneten, dem Sonnensystem und den Oberflächen entfernter Sterne ermöglichen.
Die Forschung wurde von Zixin Huang geleitet, einem Postdoktoranden am Zentrum für technische Quantensysteme (EQuS) an der Macquarie University in Sydney, Australien. Zu ihr gesellte sich Gavin Brennan, Professor für theoretische Physik an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik und am Zentrum für Quantentechnologien der Universität Nationale Universität von Singapur (NUS) und Yingkai Ouyang, leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center of Quantum Technologies an der NUS.
Um es klar auszudrücken: die Interferometrie Die Technik besteht darin, das Licht verschiedener Teleskope zu kombinieren, um Bilder eines Objekts zu erstellen, die sonst nur schwer aufzulösen wären.
Unter Interferometrie mit sehr langer Basislinie versteht man eine spezielle Technik in der Radioastronomie, bei der Signale von einer astronomischen Radioquelle (Schwarze Löcher, Quasare, Pulsare , sternbildende Nebel usw.) werden kombiniert, um detaillierte Bilder ihrer Struktur und Aktivität zu erstellen.
In den letzten Jahren hat VLBI die detailliertesten Bilder davon geliefert Sterne, die Sagitarrius A* umkreisen (Sgr A*), das SMBH im Zentrum unserer Galaxie. Es ermöglichte auch Astronomen mit dem Event Horizon Telescope (EHT) Zusammenarbeit zur Erfassung der erstes Bild eines Schwarzen Lochs (M87*) und Sgr A* selbst!
Doch wie sie in ihrer Studie zeigten, wird die klassische Interferometrie immer noch durch mehrere physikalische Einschränkungen behindert, darunter Informationsverlust, Rauschen und die Tatsache, dass das erhaltene Licht im Allgemeinen Quantencharakter hat (wobei Photonen verschränkt sind). Durch die Beseitigung dieser Einschränkungen könnte VLBI für viel feinere astronomische Untersuchungen verwendet werden.
Dr. Huang sagte gegenüber Universe Today per E-Mail: „Aktuelle hochmoderne große Basislinien-Bildgebungssysteme arbeiten im Mikrowellenband des elektromagnetischen Spektrums.“ Um optische Interferometrie zu realisieren, müssen alle Teile des Interferometers bis auf einen Bruchteil einer Lichtwellenlänge stabil sein, damit das Licht interferieren kann.
Dies ist über große Entfernungen sehr schwierig zu bewerkstelligen: Geräuschquellen können vom Instrument selbst, thermischer Ausdehnung und Kontraktion, Vibration usw. ausgehen; Hinzu kommen Verluste bei den optischen Elementen.
„Die Idee dieser Forschungsrichtung besteht darin, uns den Zugang zu den optischen Frequenzen von Mikrowellen zu ermöglichen; Diese Techniken gelten gleichermaßen für Infrarot. Wir können bereits Interferometrie mit großer Basislinie in der Mikrowelle durchführen. Allerdings wird diese Aufgabe bei optischen Frequenzen sehr schwierig, da selbst die schnellste Elektronik die Schwingungen des elektrischen Feldes bei diesen Frequenzen nicht direkt messen kann.“
Der Schlüssel zur Überwindung dieser Einschränkungen liegt laut Dr. Huang und ihren Kollegen im Einsatz von Quantenkommunikationstechniken wie der stimulierten adiabatischen Raman-Passage. Bei STIRAP werden zwei kohärente Lichtimpulse verwendet, um optische Informationen zwischen zwei anwendbaren Quantenzuständen zu übertragen.
Wenn es auf VLBI angewendet wird, so Huang, werde es effiziente und selektive Populationstransfers zwischen Quantenzuständen ermöglichen, ohne unter den üblichen Problemen von Rauschen oder Verlusten zu leiden.
Wie sie in ihrer Arbeit beschreiben („ Sterne mit Quantenfehlerkorrektur abbilden '), der Prozess, den sie sich vorstellen, würde die kohärente Kopplung des Sternenlichts in „dunkle“ Atomzustände umfassen, die nicht strahlen.
Der nächste Schritt, sagte Huang, bestehe darin, das Licht mit der Quantenfehlerkorrektur (QEC) zu koppeln, einer Technik, die in verwendet wird Quanten-Computing um Quanteninformationen vor Fehlern aufgrund von Dekohärenz und anderem „Quantenrauschen“ zu schützen.
Aber wie Huang andeutet, könnte dieselbe Technik eine detailliertere und genauere Interferometrie ermöglichen:
„Um ein großes optisches Interferometer nachzuahmen, muss das Licht kohärent gesammelt und verarbeitet werden, und wir schlagen vor, Quantenfehlerkorrektur zu verwenden, um Fehler aufgrund von Verlusten und Rauschen in diesem Prozess zu verringern.“
„Die Quantenfehlerkorrektur ist ein sich schnell entwickelnder Bereich, der sich hauptsächlich darauf konzentriert, skalierbares Quantencomputing bei Fehlern zu ermöglichen.“ In Kombination mit vorverteiltem Verstrickung „können wir die Operationen durchführen, die die benötigten Informationen aus dem Sternenlicht extrahieren und gleichzeitig Rauschen unterdrücken.“
Um ihre Theorie zu testen, betrachtete das Team ein Szenario, in dem zwei durch große Entfernungen getrennte Einrichtungen (Alice und Bob) astronomisches Licht sammeln.
Jeder verfügt über eine vorverteilte Verschränkung und enthält „Quantenspeicher“, in denen das Licht eingefangen wird, und jeder bereitet seinen eigenen Satz von Quantendaten (Qubits) in einen QEC-Code vor. Die empfangenen Quantenzustände werden dann von einem Decoder in einen gemeinsamen QEC-Code eingeprägt, der die Daten vor nachfolgenden verrauschten Vorgängen schützt.
In der „Encoder“-Stufe wird das Signal mithilfe der STIRAP-Technik in den Quantenspeichern erfasst, wodurch das einfallende Licht kohärent in einen nicht strahlenden Zustand eines Atoms eingekoppelt werden kann.
Die Fähigkeit, Licht aus astronomischen Quellen einzufangen, die Quantenzustände berücksichtigen (und Quantenrauschen und Informationsverluste eliminieren), würde die Interferometrie grundlegend verändern. Darüber hinaus hätten diese Verbesserungen erhebliche Auswirkungen auf andere Bereiche der Astronomie, die heute ebenfalls revolutioniert werden.
„Durch den Übergang zu optischen Frequenzen wird ein solches Quantenbildgebungsnetzwerk die Bildauflösung um drei bis fünf Größenordnungen verbessern“, sagte Huang.
„Es wäre leistungsstark genug, um kleine Planeten um nahegelegene Sterne, Details von Sonnensystemen, die Kinematik von Sternoberflächen, Akkretionsscheiben und möglicherweise Details rund um die Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern abzubilden – was derzeit geplante Projekte nicht lösen können.“
In naher Zukunft wird die James Webb-Weltraumteleskop (JWST) wird seine fortschrittliche Palette an Infrarot-Bildgebungsinstrumenten nutzen, um die Atmosphäre von Exoplaneten wie nie zuvor zu charakterisieren. Das Gleiche gilt für bodengestützte Observatorien wie das Extrem großes Teleskop (ELT), Riesen-Magellan-Teleskop (GMT) und 30-Meter-Teleskop (TMT).
Mit ihren großen Primärspiegeln, adaptiver Optik, Koronographen und Spektrometern werden diese Observatorien direkte bildgebende Untersuchungen von Exoplaneten ermöglichen und wertvolle Informationen über ihre Oberflächen und Atmosphären liefern.
Durch die Nutzung neuer Quantentechniken und deren Integration in VLBI erhalten Observatorien eine weitere Möglichkeit, Bilder von einigen der unzugänglichsten und am schwersten sichtbaren Objekte in unserem Universum aufzunehmen. Die Geheimnisse, die dadurch enthüllt werden könnten, werden mit Sicherheit (das letzte Mal, das verspreche ich!) revolutionär sein!
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lies das originaler Artikel .