הטלסקופים עברו דרך ארוכה במאות השנים האחרונות. מהמכשירים הצנועים יחסית שנבנו על ידי אסטרונומים כמו גלילאו גליליי וג'והנס קפלר, הטלסקופים התפתחו והפכו למכשירים מאסיביים הדורשים מתקן שלם שיוכל להכיל אותם, וצוות מלא ורשת מחשבים כדי להפעיל אותם. ובשנים הקרובות יבנו מצפים גדולים בהרבה שיכולים לעשות אפילו יותר.
לרוע המזל, למגמה זו לעבר מכשירים גדולים וגדולים יותר יש חסרונות רבים. בתור התחלה, מצפים גדולים יותר ויותר דורשים מראות גדולות יותר ויותר או טלסקופים רבים עובדים יחד - שניהם סיכויים יקרים. למרבה המזל צוות מ- MIT הציע לשלב אינטרפרומטריה עם שילוב קוונטי-טלוויזיוני, מה שעלול להגדיל משמעותית את הרזולוציה של מערכים מבלי להסתמך על מראות גדולות יותר.
במילים פשוטות, אינטרפרומטריה היא תהליך בו מתקבל אור על ידי מספר טלסקופים קטנים יותר ומשולבים אותו כדי לשחזר תמונות של מה שצפו. תהליך זה משמש למתקנים כמו אינטרפרומטר טלסקופ גדול מאוד (VLTI) בצ'ילה והמרכז לאסטרונומיה ברזולוציה גבוהה זוויתית (CHARA) בקליפורניה.
הראשונה נשענת על ארבעה מראות עיקריות של 8.2 מ 'וארבעה מראות טלסקופ עזר הניתנות לזזה (1.8 מ') - מה שנותן לה רזולוציה המקבילה למראה של 140 מ '(460 מ') - ואילו האחרון מסתמך על שישה מטר בגובה מטר. הטלסקופ, המעניק לו רזולוציה המקבילה למראה 330 מ '. בקיצור, אינטרפרומטריה מאפשרת למערכי טלסקופ לייצר תמונות ברזולוציה גבוהה יותר ממה שהיה אפשרי אחרת.
אחד החסרונות הוא שפוטונים אבודים בהכרח במהלך תהליך השידור. כתוצאה מכך, ניתן להשתמש במערכים כמו ה- VLTI ו- CHARA רק כדי להציג כוכבים בהירים, ובניית מערכים גדולים יותר כדי לפצות על כך שוב מעלה את נושא העלויות. כפי שכתב יוהנס בוררגארד - עמית פוסט-דוקטורט במרכז האוניברסיטה בקופנהגן למתמטיקה של תורת הקוואנטים (QMATH) וסופר משותף בעיתון - אמר למגזין החלל באמצעות הדוא"ל:
"אתגר אחד של הדמיה אסטרונומית הוא לקבל רזולוציה טובה. הרזולוציה היא מדד לכמה קטנות מהתכונות שאתה יכול לצלם וזה נקבע בסופו של דבר על ידי היחס בין אורך הגל של האור שאתה אוסף לגודל המנגנון שלך (גבול ריילי). מערכי טלסקופ מתפקדים כמנגנון ענק אחד וככל שאתה גדול יותר להפוך את המערך לרזולוציה טובה יותר. "
אבל כמובן שזה מגיע בעלות גבוהה מאוד. לדוגמה, הטלסקופ הגדול ביותר, שנבנה בימים אלה במדבר אטקמה בצ'ילה, יהיה הטלסקופ האופטי והכמעט אינפרא אדום הגדול בעולם. כאשר הוצע לראשונה בשנת 2012, ESO ציין כי הפרויקט יעלה כמיליארד יורו (1.12 מיליארד דולר) בהתבסס על מחירי 2012. מותאם לאינפלציה, שהסתכם ב -1.23 מיליארד דולר בשנת 2018, וכ -1.47 מיליארד דולר (בהנחה של אחוז אינפלציה של 3%) עד 2024 כאשר אמור להסתיים הבנייה.
"יתרה מזאת, מקורות אסטרונומיים לרוב אינם בהירים במיוחד במשטר האופטי," הוסיף בוררגארד. "אמנם קיימות מספר טכניקות ייצוב קלאסיות להתמודדות עם הראשונה, אולם אלה מהווים בעיה מהותית לאופן פעולת מערכי הטלסקופ. הטכניקה הסטנדרטית של הקלטת האור המקומית בכל טלסקופ מביאה לרעש רב מכדי לעבוד במקורות אור חלשים. כתוצאה מכך, כל מערכי הטלסקופ האופטי הנוכחי פועלים על ידי שילוב האור מטלסקופים שונים ישירות בתחנת מדידה אחת. המחיר שיש לשלם הוא הנחתת האור המועבר לתחנת המדידה. אובדן זה מהווה מגבלה קשה לבניית מערכי טלסקופ גדולים מאוד במשטר האופטי (מערכים אופטיים נוכחיים הם בגדלים של מקסימום ~ 300 מ ') ובסופו של דבר יגביל את הרזולוציה ברגע שיש טכניקות ייצוב יעילות. "
לצורך כך, צוות הרווארד - בראשות אמיל חביבולליין, סטודנט לתואר שני במחלקה לפיזיקה של הרווארד - מציע להסתמך על טלפורציה קוונטית. בפיזיקה קוונטית, טלפורטציה מתארת את התהליך בו מועברים תכונות של חלקיקים ממקום אחד למשנהו דרך הסתבכות קוונטית. זה, כפי שמסביר בורגרד, יאפשר ליצור תמונות ללא הפסדים שנגרמו להם עם הפרעות רגילות:
"תצפית מרכזית אחת היא שההסתבכות, תכונה של מכניקת הקוונטים, מאפשרת לנו לשלוח מצב קוונטי ממקום אחד למקום אחר מבלי להעביר אותו פיזית, בתהליך שנקרא טלפורטציה קוונטית. כאן ניתן לאור "הטלפורט" של האור מהטלסקופים לתחנת המדידה, ובכך לעקוף את כל אובדן ההולכה. טכניקה זו תאפשר באופן עקרוני מערכים בגודל שרירותי בהנחת התמודדות עם אתגרים אחרים כמו ייצוב. "
כאשר משתמשים בהם לצורך טלסקופים בסיוע קוונטי, הרעיון יהיה ליצור זרם קבוע של זוגות סבוכים. בעוד שאחד החלקיקים המשויכים היה שוכן בטלסקופ, השני היה נוסע לאינטרפרומטר המרכזי. כאשר פוטון מגיע מכוכב מרוחק, הוא יעבור אינטראקציה עם אחד מהזוג הזה ויורט טלפורט מייד לאינטרפרומטר כדי ליצור תמונה.
בשיטה זו ניתן ליצור תמונות עם ההפסדים שנגרמו להם באינטרפרומטרים רגילים. הרעיון הוצע לראשונה בשנת 2011 על ידי גוטסמן, ג'נוויין וקרוק מאוניברסיטת ווטרלו. באותה תקופה הם וחוקרים אחרים הבינו שהקונספט יצטרך לייצר זוג מסתבך לכל פוטון נכנס, בסדר גודל של טריליוני זוגות בשנייה.
זה פשוט לא היה אפשרי באמצעות הטכנולוגיה הנוכחית של אז; אך הודות להתפתחויות האחרונות בתחום המחשוב והאיחסון הקוונטי, יתכן ועכשיו הדבר אפשרי. כפי שהצביע בוררגארד:
"[W]תאר כיצד ניתן לדחוס את האור לזיכרונות קוונטיים קטנים השומרים על המידע הקוונטי. זיכרונות קוונטיים כאלה יכולים להיות מורכבים מאטומים שעוברים אינטראקציה עם האור. טכניקות להעברת המצב הקוונטי של דופק אור לאטום כבר הוכחו מספר פעמים בניסויים. כתוצאה מהדחיסה לזיכרון אנו משתמשים בפחות זוגות מסתבכים באופן משמעותי בהשוואה לתכניות נטולות זיכרון כמו זו של גוטסמן ואח '. לדוגמה, עבור כוכב בעוצמה 10 ורוחב פס מדידה של 10 ג'יגה הרץ, התוכנית שלנו דורשת ~ 200 קילוהרץ של קצב הסתבכות באמצעות זיכרון של 20 קילובייט במקום 10 ג'יגה הרץ לפני כן. מפרט כזה אפשרי עם הטכנולוגיה הנוכחית וכוכבים חלשים יותר יביאו לחיסכון גדול עוד יותר עם זיכרונות מעט גדולים יותר בלבד. "
שיטה זו עשויה להוביל לכמה הזדמנויות חדשות לחלוטין בכל הקשור להדמיה אסטרונומית. ראשית, זה יגדיל באופן דרמטי את רזולוציית התמונות, ואולי יאפשר למערכים להשיג רזולוציות שוות ערך לזה של מראה של 30 ק"מ. בנוסף, זה יכול לאפשר לאסטרונומים לגלות וללמוד Exoplanets בטכניקת ההדמיה הישירה עם רזולוציות עד לרמת המיקרו-אר-שניה.
"השיא הנוכחי הוא בסביבות מיליארדי-קשת," אמר בוררגארד. "עלייה כזו ברזולוציה תאפשר לאסטרונומים לגשת למספר גבולות אסטרונומיים חדשים, החל בקביעת מאפיינים של מערכות פלנטאריות ועד לימוד ספידיות ובינארי אינטראקציה ... מעניין את מעצבי הטלסקופים האסטרונומיים, התוכנית שלנו תתאים ליישום בחלל, היציבות היא פחות עניין. אכן טלסקופ אופטי מבוסס חלל בקנה מידה של 10 ^ 4 ק"מ יהיה חזק מאוד. "
בעשורים הקרובים אמורים להיבנות או לפרוס מצפים רבים של חלל הדורות הבאים ומצפה-קרקע. כבר כיום מכשירים אלה צפויים להציע רזולוציה ויכולת מוגברת מאוד. עם תוספת של טכנולוגיה בסיוע קוונטי, מצפים תצפיתיים אלו אפילו יוכלו לפתור את תעלומות החומר האפל והאנרגיה האפלה, וללמוד כוכבי לכת חוץ-סולאריים בפירוט מדהים.
המחקר של הצוות, "מערכי טלסקופ בעזרת קוונטים", הופיע לאחרונה ברשת. בנוסף לחביבולליין ובורגרגארד, המחקר נכתב על ידי כריסטיאן דה גרבה (עמית פוסט-דוקטורט בהרווארד) ומיכאיל לוקין - פרופסור להרווארד לפיזיקה וראש קבוצת לוקין במעבדה לאופטיקה קוונטית של הרווארד.
