Kính thiên văn đã đi một chặng đường dài trong vài thế kỷ qua. Từ những thiết bị tương đối khiêm tốn được chế tạo bởi các nhà thiên văn học như Galileo Galilei và Johannes Kepler, kính viễn vọng đã phát triển để trở thành những thiết bị khổng lồ đòi hỏi toàn bộ cơ sở để chứa chúng và một phi hành đoàn và mạng máy tính đầy đủ để vận hành chúng. Và trong những năm tới, các đài quan sát lớn hơn sẽ được xây dựng có thể làm được nhiều hơn thế.
Thật không may, xu hướng này đối với các công cụ lớn hơn và lớn hơn có nhiều nhược điểm. Để bắt đầu, các đài quan sát ngày càng lớn đòi hỏi phải có gương ngày càng lớn hoặc nhiều kính viễn vọng làm việc cùng nhau - cả hai đều là những triển vọng đắt giá. May mắn thay, một nhóm từ MIT đã đề xuất kết hợp giao thoa kế với dịch chuyển tức thời lượng tử, có thể làm tăng đáng kể độ phân giải của mảng mà không cần dựa vào các gương lớn hơn.
Nói một cách đơn giản, giao thoa kế là một quá trình trong đó ánh sáng thu được bằng nhiều kính thiên văn nhỏ hơn và sau đó kết hợp lại để tái tạo hình ảnh của những gì họ quan sát được. Quá trình này được sử dụng bởi các cơ sở như Máy đo giao thoa kính thiên văn rất lớn (VLTI) ở Chile và Trung tâm thiên văn học độ phân giải góc cao (CHARA) ở California.
Cái trước dựa vào bốn gương chính 8.2 m (27 ft) và bốn kính thiên văn phụ di chuyển 1,8 m (5,9 ft) - cho độ phân giải tương đương với gương 140 m (460 ft) - trong khi cái sau dựa vào sáu mét một kính viễn vọng, cung cấp cho nó độ phân giải tương đương với gương 330 m (1083 ft). Nói tóm lại, giao thoa kế cho phép các mảng kính viễn vọng tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn mức có thể.
Một trong những nhược điểm là các photon chắc chắn bị mất trong quá trình truyền. Do đó, các mảng như VLTI và CHARA chỉ có thể được sử dụng để xem các ngôi sao sáng và xây dựng các mảng lớn hơn để bù đắp cho điều này một lần nữa làm tăng vấn đề chi phí. Như Johannes Borregaard - một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm toán học lượng tử của Đại học Copenhagen (QMATH) và là đồng tác giả trên báo - đã nói với Tạp chí Space qua email:
Một thách thức của hình ảnh thiên văn là để có được độ phân giải tốt. Độ phân giải là thước đo mức độ nhỏ của các tính năng mà bạn có thể hình ảnh và cuối cùng nó được đặt theo tỷ lệ giữa bước sóng ánh sáng bạn thu thập và kích thước của thiết bị (giới hạn Rayleigh). Mảng kính thiên văn có chức năng như một bộ máy khổng lồ và càng lớn, bạn càng tạo ra mảng có độ phân giải tốt hơn.
Nhưng tất nhiên, điều này đến với chi phí rất cao. Ví dụ, Kính thiên văn cực lớn, hiện đang được chế tạo ở sa mạc Atacama ở Chile, sẽ là kính viễn vọng quang học và cận hồng ngoại lớn nhất trên thế giới. Khi lần đầu tiên được đề xuất vào năm 2012, ESO chỉ ra rằng dự án sẽ có giá khoảng 1 tỷ Euro (1,12 tỷ USD) dựa trên giá của năm 2012. Điều chỉnh theo lạm phát, con số này lên tới 1,23 tỷ đô la vào năm 2018 và khoảng 1,47 tỷ đô la (giả sử tỷ lệ lạm phát là 3%) vào năm 2024 khi việc xây dựng dự kiến hoàn thành.
Hơn nữa, các nguồn thiên văn thường không sáng sủa lắm trong chế độ quang học, theo ông Borregaard. Tuy Trong khi tồn tại một số kỹ thuật ổn định cổ điển để giải quyết vấn đề trước, thì cái sau đặt ra một vấn đề cơ bản cho cách thức các mảng kính viễn vọng thường được vận hành. Kỹ thuật tiêu chuẩn ghi lại ánh sáng cục bộ tại mỗi kính thiên văn dẫn đến quá nhiều nhiễu để làm việc đối với các nguồn sáng yếu. Kết quả là, tất cả các mảng kính viễn vọng quang học hiện tại hoạt động bằng cách kết hợp ánh sáng từ các kính thiên văn khác nhau trực tiếp tại một trạm đo. Cái giá phải trả là sự suy giảm của ánh sáng truyền đến trạm đo. Mất mát này là một hạn chế nghiêm trọng đối với việc xây dựng các mảng kính viễn vọng rất lớn trong chế độ quang học (các mảng quang hiện tại có kích thước tối đa ~ 300 m) và cuối cùng sẽ hạn chế độ phân giải một khi các kỹ thuật ổn định hiệu quả được áp dụng.
Về vấn đề này, nhóm Harvard - dẫn đầu bởi Emil Khabiboulline, một sinh viên tốt nghiệp tại Khoa Vật lý Harvard, - đề nghị dựa vào dịch chuyển tức thời lượng tử. Trong vật lý lượng tử, dịch chuyển tức thời mô tả quá trình trong đó các tính chất của các hạt được vận chuyển từ vị trí này sang vị trí khác thông qua sự vướng víu lượng tử. Điều này, như Borregard giải thích, sẽ cho phép tạo ra hình ảnh mà không bị mất với giao thoa kế thông thường:
Quan sát quan trọng của One Một là sự vướng víu, một tính chất của cơ học lượng tử, cho phép chúng ta gửi một trạng thái lượng tử từ vị trí này sang vị trí khác mà không truyền vật lý, trong một quá trình gọi là dịch chuyển tức thời lượng tử. Ở đây, ánh sáng từ các kính thiên văn có thể được dịch chuyển tức thời đến trạm đo, do đó tránh được mọi tổn thất truyền tải. Về nguyên tắc, kỹ thuật này sẽ cho phép các mảng có kích thước tùy ý giả định các thách thức khác như ổn định được xử lý.
Khi được sử dụng cho mục đích của kính thiên văn hỗ trợ lượng tử, ý tưởng sẽ là tạo ra một dòng liên tục các cặp vướng víu. Trong khi một trong những hạt được ghép đôi sẽ cư trú tại kính thiên văn, thì hạt kia sẽ di chuyển đến giao thoa kế trung tâm. Khi một photon đến từ một ngôi sao ở xa, nó sẽ tương tác với một trong cặp này và ngay lập tức được dịch chuyển đến giao thoa kế để tạo ra hình ảnh.
Sử dụng phương pháp này, hình ảnh có thể được tạo ra với các tổn thất gặp phải với giao thoa kế thông thường. Ý tưởng này lần đầu tiên được đề xuất vào năm 2011 bởi Gottesman, Jennewein và Croke thuộc Đại học Waterloo. Vào thời điểm đó, họ và các nhà nghiên cứu khác hiểu rằng khái niệm này sẽ cần phải tạo ra một cặp vướng víu cho mỗi photon tới, theo thứ tự hàng nghìn tỷ cặp mỗi giây.
Điều này chỉ đơn giản là không thể sử dụng công nghệ hiện tại; nhưng nhờ những phát triển gần đây trong điện toán và lưu trữ lượng tử, giờ đây nó có thể khả thi. Như Borregaard đã chỉ ra:
Cúc [W]e phác thảo làm thế nào ánh sáng có thể được nén thành những ký ức lượng tử nhỏ lưu giữ thông tin lượng tử. Những ký ức lượng tử như vậy có thể bao gồm các nguyên tử tương tác với ánh sáng. Kỹ thuật chuyển trạng thái lượng tử của xung ánh sáng thành nguyên tử đã được chứng minh một số lần trong các thí nghiệm. Kết quả của việc nén vào bộ nhớ, chúng tôi sử dụng ít hơn các cặp vướng víu ít hơn đáng kể so với các sơ đồ không có bộ nhớ như của Gottesman et al. Ví dụ: đối với một ngôi sao có cường độ 10 và băng thông đo 10 GHz, sơ đồ của chúng tôi yêu cầu tốc độ vướng víu ~ 200 kHz sử dụng bộ nhớ 20 qubit thay vì 10 GHz trước đó. Thông số kỹ thuật như vậy là khả thi với công nghệ hiện tại và các ngôi sao mờ hơn sẽ mang lại khoản tiết kiệm lớn hơn chỉ với những ký ức lớn hơn một chút.
Phương pháp này có thể dẫn đến một số cơ hội hoàn toàn mới khi nói đến hình ảnh thiên văn. Đối với một, nó sẽ làm tăng đáng kể độ phân giải của hình ảnh và có lẽ giúp các mảng có thể đạt được độ phân giải tương đương với độ phân giải của gương 30 km. Ngoài ra, nó có thể cho phép các nhà thiên văn học phát hiện và nghiên cứu các ngoại hành tinh bằng cách sử dụng kỹ thuật hình ảnh trực tiếp với độ phân giải xuống mức micro-arsecond.
Kỷ lục hiện tại là khoảng một phần nghìn giây, Borregaard nói. Sự gia tăng độ phân giải như vậy sẽ cho phép các nhà thiên văn học tiếp cận một số biên giới thiên văn mới, từ việc xác định đặc điểm của các hệ hành tinh đến nghiên cứu cepheids và nhị phân tương tác với các nhà thiết kế kính viễn vọng thiên văn, kế hoạch của chúng tôi sẽ rất phù hợp để thực hiện trong không gian, trong đó ổn định là một vấn đề. Một kính viễn vọng quang học dựa trên không gian ở quy mô 10 ^ 4 km sẽ thực sự rất mạnh.
Trong những thập kỷ tới, nhiều đài quan sát không gian và mặt đất thế hệ tiếp theo được thiết lập để xây dựng hoặc triển khai. Đã có, các công cụ này dự kiến sẽ cung cấp độ phân giải và khả năng tăng lên rất nhiều. Với việc bổ sung công nghệ hỗ trợ lượng tử, các đài quan sát này thậm chí có thể giải quyết được những bí ẩn của vật chất tối và năng lượng tối, và nghiên cứu các hành tinh ngoài mặt trời một cách chi tiết đáng kinh ngạc.
Nghiên cứu của đội ngũ, Kính viễn vọng hỗ trợ lượng tử Arrays, gần đây đã xuất hiện trực tuyến. Ngoài Khabiboulline và Borregaard, nghiên cứu còn được đồng tác giả bởi Kristiaan De Greve (một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Harvard) và Mikhail Lukin - Giáo sư Vật lý Harvard và là người đứng đầu Tập đoàn Lukin tại Phòng thí nghiệm Quang học Harvard.
