Квантова пам’ять і мережі можуть допомогти об’єднати світло від широко рознесених дзеркал.
Коли через кілька років у Чилі завершиться будівництво Надзвичайно великого телескопа, його 39-метрове дзеркало буде більше, ніж у всіх попередніх телескопів разом узятих. Проте навіть цей титан побачить планети навколо найближчих зір як окремі цятки світла без помітних подробиць.
Що робити астроному? На зустрічі минулого тижня (березень 2024 р. — Ред.), організованій NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory), національним центром оптичної та інфрачервоної астрономії США, дослідники обговорили можливу відповідь: не один великий телескоп, а багато. І світло цих телескопів об’єднують за допомогою квантових технологій. Якщо ця стратегія спрацює, телескопи, розташовані на відстані сотень кілометрів один від одного, зможуть мати роздільну здатність, щоб виявити поверхні екзопланет і диски матерії, що обертаються навколо надмасивних чорних дір. «Ми хочемо подолати цей “камінь спотикання” та винайти нову технологію», — сказав Гайді Гаммел (Heidi Hammel), віце-президент з науки Асоціації університетів з дослідження астрономії, яка керує обсерваторіями США, що фінансуються державою.
Об’єднання сигналів від далеко розташованих телескопів, метод, відомий як інтерферометрія, знайомий радіоастрономам. Дуже великий масив антен у Нью-Мексико об’єднує сигнали від 27 антен, розташованих на десятки кілометрів. Те саме для 10 телескопів, які розміщено в різних куточках Сполучених Штатів, робить масив Very Long Baseline Array. А перше зображення тіні чорної діри, оприлюднене у 2019 році, було продуктом всесвітньої мережі радіотелескопів.
Коли електромагнітні сигнали, зібрані з різних місць, об’єднуються, хвилі взаємодіють — подвоюється яскравість там, де максимум амплітуди хвилі збігається з максимумом іншої, і гаситься там, де такий пік потрапляє на мінімум амплітуди. Комбінуючи та обробляючи отримані шаблони від багатьох пар телескопів, інтерферометр може зібрати докладне зображення джерела. Оскільки радіохвилі дуже довгі, відносно легко записати точний час фази або форми хвиль на кожному телескопі та опрацювати їх пізніше за допомогою комп’ютера.
Хвилі видимого світла в 1 мільйон разів коротші, тому такий запис неможливий для оптичних телескопів. Натомість хвилі треба поєднувати в режимі реального часу за допомогою дзеркал і вакуумних трубок, що направляють світло від телескопів до центрального суматора. Шляхи світла від кожного телескопа мають бути ідентичними до однієї мільйонної частки метра. Тому сучасним експериментальним оптичним інтерферометрам важко охопити більше кількох сотень метрів. Цього достатньо для вимірювання діаметра зорі, але не вистачає для того, щоб побачити океани та континенти на одній із її планет. «Нам потрібні сотні кілометрів, щоб отримати потрібну роздільну здатність», — зазначив Стюарт Кордер (Stuartt Corder) з NOIRLab.
Щоб досягти цього, за словами Кордера, астрономи хочуть «осідлати» квантові технології, розроблені для інших цілей. Одна — квантова пам’ять, яка може зберігати точний стан фотона — разом з інформацією про його фазу — у квантовому стані атома в кристалічній решітці. Дослідники з Австралії та Китаю створили такі пристрої з кристалами ербію, які зберігають квантові стани протягом кількох годин. Теоретично квантову пам’ять можна заповнити на віддалених телескопах і відправити в центральний суматор, де стани можна буде перетворити на фотони та обробляти дані, — сказав Джон Бартолом’ю (John Bartholomew) з Сіднейського університету. «Це зберігає модель, подібну до нинішньої інтерферометрії».
Але нині кристали можуть зберігати кілька сотень квантових станів, тоді як астрономам знадобляться сотні мільйонів, щоб зібрати будь-яку значущу картину. І сучасні делікатні квантові пристрої можуть не вижити поза лабораторією. «Під час передачі сигналів вам знадобиться дуже стабільне середовище, — зауважив Бартолом’ю.
Іншим варіантом є передача точних квантових станів фотонів через мережу оптичних волокон і побудова інтерференційної картини в реальному часі. Кілька наукових груп створили прототипи квантових мереж для поширення квантових ключів для цілей безпечних зашифрованих транзакцій. Але для роботи на таких відстанях, які хочуть мати астрономи, знадобляться ретранслятори, що зберігають квантові стани, — ця технологія все ще є експериментальною.
Альтернативою може бути цікава властивість квантової механіки створювати зв’язки на великій відстані. У цій схемі центральне джерело генеруватиме «заплутані» стани фотонів, які можуть розподілятися між двома віддаленими телескопами. Спільний стан забезпечує еталонну фазу, яку можна порівняти з двома вхідними фотонами, що еквівалентно опрацюванню їм разом. «Ви отримуєте таку саму інформацію, як і тоді, коли б використовували центральний розсіювач променя», — зазначив Йоханнес Боррегаард (Johannes Borregaard) з Делфтського технологічного університету.
Для роботи центральне джерело має генерувати та надсилати 100 мільйонів заплутаних станів на секунду. «Це дуже багато, — сказав Боррегаард. Проте, одна наукова група продемонструвала цей процес у лабораторії, використовуючи лазер як імітацію зорі. «Ми показали, що принцип працює і його можна застосувати на практиці», — зазначив Браян Сміт з Ореґонського університету. Наукова група нині встановлює телескопи на даху своєї лабораторії і сподівається через кілька років зробити те саме з реальним світлом зорі.
Райан Лау (Ryan Lau) з NOIRLab сказав, що семінар мав на меті розпочати розмову між астрономами та квантовими технологами та «вивчити мову один одного». Мета — невелика демонстрація, яка приведе до пропозиції побудувати щось більше у 2030-х роках. «Ми хочемо вивести це з квантової теорії та лабораторій і перенести на справжні фотони зір», — зауважив Лау.
За інф. з сайту www.science.org
