Самые революционные открытия в астрономии за последние годы произошли благодаря интерферометрии. В ходе нового исследования ученые придумали, как усовершенствовать эту технологию, задействовав квантовую физику.
В астрономии происходит революция. За последние 10 лет изучение экзопланет продвинулось вперед, гравитационно-волновая астрономия стала новой областью исследования, а также ученые получили первые изображения сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Область науки, которая поспособствовала этим открытиям, — интерферометрия — также стала активно развиваться. Все благодаря высокочувствительным инструментам и возможности обмениваться данными из обсерваторий по всему миру и объединять их. В частности наука об интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) открывает совершенно новые возможности благодаря квантовым технологиям.
Поможет квантовая техника
Согласно недавнему исследованию ученых из Австралии и Сингапура, новая квантовая техника улучшит оптическую РСДБ. Речь идет о вынужденном рамановском адиабатическом переходе (STIRAP) — это процесс, который позволяет переносить населенность между двумя применимыми квантовыми состояниями с помощью по крайней мере двух когерентных электромагнитных (световых) импульсов. Они управляют переходами трехуровневого атома или многоуровневой системы. Процесс является формой когерентного управления между состояниями. По сути, он позволяет передавать квантовую информацию без потерь.
При использовании квантовой коррекции ошибок (quantum error correction, QEC) этот метод может позволить проводить РСДБ-наблюдения на ранее недоступных длинах волн. После интеграции с инструментами следующего поколения этот метод может позволить более детально изучать черные дыры, экзопланеты, Солнечную систему и поверхности далеких звезд.
Как работает интерферометрия?
Проще говоря, метод интерферометрии состоит в объединении света от нескольких телескопов со всей Земли для создания изображений объекта, которые в противном случае было бы слишком сложно разрешить. Интерферометрия со сверхдлинной базой относится к особой методике, используемой в радиоастрономии, при которой сигналы от астрономических радиоисточников (черных дыр, квазаров, пульсаров, туманностей звездообразования и т. д.) объединяются для создания подробных изображений их структуры и активности. В последние годы РСДБ дала наиболее подробные изображения звезд, вращающихся вокруг Стрельца A* (Sgr A*), сверхмассивной черной дыры в центре Галактики.
Это также позволило астрономам из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) сделать первое изображение черной дыры (M87) и самого Sgr A. Но, как они отметили в исследовании, классической интерферометрии и фактически созданию телескопа размером с Землю все еще мешают несколько физических ограничений. В том числе потеря информации, шум и тот факт, что получаемый свет, как правило, носит квантовый характер (где фотоны запутаны). Устранив эти ограничения, РСДБ можно было бы использовать для гораздо более точных астрономических исследований.
Решение проблемы
Как ученые описывают в статье «Визуализация звезд с квантовой коррекцией ошибок», процесс, который они предполагают, будет включать когерентное связывание звездного света с «темными» атомными состояниями. Следующий шаг состоит в том, чтобы соединить свет с QEC, методом, используемым в квантовых вычислениях для защиты квантовой информации от ошибок из-за декогеренции и других «квантовых шумов». Но, как отмечают ученые, этот же метод обеспечит более подробную и точную интерферометрию.
Проверка теории
Чтобы проверить свою теорию, команда рассмотрела сценарий, в котором два объекта, разделенные большими расстояниями, собирают астрономический свет. Каждый разделяет предварительно распределенную запутанность и содержит «квантовую память», в которую улавливается свет, и каждый готовит свой собственный набор квантовых данных (кубитов) в некоторый код с QEC. Полученные квантовые состояния затем впечатываются в общий код QEC декодером, который защищает данные от последующих зашумленных операций.
На этапе «кодировщика» сигнал захватывается в квантовую память с помощью метода STIRAP, который позволяет когерентно связывать входящий свет с безызлучательным состоянием атома. Возможность улавливать свет от астрономических источников, которые учитывают квантовые состояния (и устраняют квантовый шум и потерю информации), может изменить правила игры для интерферометрии. Более того, эти усовершенствования повлияют на другие области астрономии, которые сегодня также претерпевают революционные изменения.
Что в итоге?
Переходя на оптические частоты, такая сеть квантовых изображений улучшит разрешение изображения на три-пять порядков. Его мощности будет достаточно для изображения малых планет вокруг ближайших звезд, деталей звездных систем, кинематики звездных поверхностей, аккреционных дисков и потенциально деталей вокруг горизонтов событий черных дыр — ни один из запланированных в настоящее время проектов не способен на это. Фактически применив новую технологию, человечество получит в собственное распоряжение телескоп размером с планету.
Читать далее
Китайский ИИ предсказывает курс гиперзвуковых ракет. Ответный удар будет с опережением
Из смеси ВПЧ, рака и сифилиса получились «бессмертные» клетки: что о них известно