Quantum天文可以创造数百公里宽的望远镜

几年前，使用基于广播的事件Horizo​​ n Telescope（EHT）的研究人员表现出了非凡的观察，这是一个对大多数其他天文学家来说的梦想。 EHT团队于2019年4月宣布，它通过组合来自八种不同的无线电望远镜的观察，在附近的星系中成功地成功地成功地成功地在附近的一个星系上的阴影。这种称为干涉测量的技术有效地给出了地球大小的望远镜的分辨率，或者能力区分天空中的来源。在从哈勃太空望远镜和许多其他着名的设施中巩固了华丽图片的光学波长，今天的干涉仪只能将光的光与最多几百米的仪器相结合。这可能被设置为改变，因为天文学家转向量子物理学家有助于开始连接距离彼此几公里的电缆望远镜。

这种光学干涉仪将依赖于在量子通信领域进行的进步 - 特别是在每个望远镜在每个望远镜上存储所收集的微小光子态的装置的发展。被称为Quantum硬盘（QHD），这些设备将物理地运输到集中位置，其中将检索来自每个望远镜的数据并与其他望远镜的数据共同揭示关于一些遥控天体对象的细节。

该技术使得重点联想到标志性的双缝实验，首先由1801年由物理学家托马斯杨进行，其中光落在不透明的屏障上，该屏障有两个狭缝，可以通过它。光重新结合在屏障的另一侧，产生明亮和暗条纹的干涉图案，也称为干涉图。即使单个光子通过狭缝逐个涓涓细流滴定，也可以运行：随着时间的推移，干扰模式仍然会出现。

“如果我们有两个望远镜，可以表现出像年轻的诽谤一样，我们能够在光源上得到一个干扰图，就像天空中的明星一样，干扰图告诉你有很多关于来源的事情，”悉尼大学的天文学家Jonathan Bland-Hawthorn，他的团队提出了使用量子硬盘来构建光学干涉仪。这些仪器可以有一天可以帮助天文学家测量恒星和星系的尺寸和内在运动，更精确，是我们了解宇宙演变的重要成分。

虽然射频天文学家已经建立了令人印象深刻的干涉仪，如EHT，这主要是因为干涉测量比在1个重要方面的光学频率中更容易实现：首先，无线电天线比光学望远镜更便宜，所以人们可以构建大它们的数量（增加信号收集区域并因此增长率）并将它们分开（增加分辨率）。其次，天文对象发出强大的无线电波，使其更简单地在各个天线上记录这些信号以随后的相关性。然而，光源通常很多，实际上，望远镜通常必须在字面上一定地累积天体目标的光线，使干扰变成量子机械现象。第三，地球的大气扭曲了光学光线，留下望远镜一点时间，在湍流空气的覆盖层之前收集光子扰乱它们的相或相干。

这种约束限制了光学干涉仪的基线 - 即任何连接望远镜之间的最长分离。例如，高角度分辨率天文学中心（Chara）是在加利福尼亚州威尔逊天文台运行的六个一米镜光学望远镜阵列，它拥有330米的最大基线。欧洲南方天文台的重力干涉仪，它在智利的普拉尔观测台上连接了四个8.2米望远镜，最大的基线为130米。 “世界上任何令人印象深刻的干涉仪是ESO重力仪器，”Bland-Hawthorn说。 “现在将ESO重力显示在一公里，三公里或10公里处。”

通过传统的光学技术，这些概念将仍然难以捉摸。由每个望远镜收集的光子必须通过光纤发送到可以组合它们的一些位置。而且，来自一些望远镜的光子可能必须保持在“延迟线”中的避免，通常涉及光纤，以确保来自所有望远镜的光已经行进相同的距离。如果透射或延迟线太长 - 这发生的速度短的速度较短，则光子最终被吸收或散射，使干扰不可能。

至少是不可能的，没有来自量子物理学的帮助手。 2011年，安大略省的周边理论物理研究所的Daniel Gottesman，他的同事建议将缠绕在两个遥远的望远镜之间的缠结光子源。源将一对缠结的光子中的一个缠绕在每个望远镜上，在其中颗粒被干扰地干扰从天体靶的另一光子。每个望远镜中的干扰测量可以记录，后来用于重建干扰图。虽然这可能原则上可以听起来简单，但是光学干涉法的较长基线需要量子中继器 - 昂贵的和复杂的定制装置，用于在搁板上的距离上分配缠结的氛围。

现在，Bland-Hawthorn与堪培拉澳大利亚国立大学Matthew Sellars的Quantum Technologist John Bartholome合作，设计了避免使用缠结的光子和量子中继器的光学干涉仪。基本思想很简单：考虑两个八米伸缩，分隔数十公里。每个望远镜收集的光子的量子状态 - 意味着作为时间的函数的光的幅度和相位存储在量子硬盘中。天文学家将这些QHDS-逐行的道路，铁路或空气 - 一个位置物理地运输，其中量子状态将被读出并使其干扰，产生干扰图。

Bartholomew和他的同事们一直在QHDS上努力，这可能有一天能够建立这种干涉仪。 2015年，该小组认为光子状态可以储存在铕掺杂的钇钇晶晶晶体中的某些离子的核旋转状态（或更简单，欧盟：YSO）中。理论上，在一个在两个开塞尔蛋白的霜温下保持的水晶中，Bartholomew说，旋转状态应保持长达一个月半的连贯。在基于实验室的演示中，他的团队管理了更适度但仍然令人印象深刻的结果，表明它可以让旋转状态保持六个小时。 “我们曾经开玩笑说是在丰田卡罗拉的后面把记忆系统赶出，然后沿着高速公路驾驶，”他说。 “你＆＃39; D能够走得很远。”

但2015年的实验在旋转状态下没有存储光子状态，并以后检索它们。它仅仅证明了旋转状态保持连贯几个小时。在12月2020年12月，中国科技大学的川峰李及其同事们用欧盟报告：YSO晶体存储相干的光子状态并在一小时后检索它们，通过干扰实验验证它们的忠诚。 “通过QHDS连接遥远的光学望远镜是一个很好的主意，”李说。 “使用基于欧盟的量子记忆，这样做应该是可行的：我们正在努力的Quantum Memories。 QHD可以用卡车和直升机运输。“

不参与任何这项工作的自由大学柏林的量子物理学家诺拉Tischler也对使用QHD来构建光学干涉仪的想法也是深刻的。 “即使该提议在技术上非常苛刻，值得注意的是，这可以利用已经（且独立地）现有的发展和努力，”她说。 “量子界正在努力优化量子记忆作为建立未来量子网络的努力的一部分。”这些存储器可以构成量子硬盘的基础。

Bartholomew说，下一步是确保QHDS对运输期间经历的振动和加速来弹性。 “这些力量对量子储存的影响需要表征，”他说。 “但乐观的原因是这些核旋转状态对这些类型的扰动非常不敏感。”

即便如此，无法保证技术将是一个实际的成功。它有一个竞争对手。 2019年Johannes Borregaard，现在在荷兰代表德尔特理工大学，他的同事通过设计一种压缩望远镜收到的信息来增强Gottesman 2011的解决方案，只能保持相关的光子并丢弃其余的休息。然后，如果不首先压缩，则这将需要与远处缠绕的光子对的相互作用，这难以以干涉测量法所需的速率产生。即使压缩，延长的基线也将保证量子中继器。 Borregaard表示尚不清楚QHDS或缠结光子和量子中继器的组合是首先解决光学干涉测量问题的问题。 “他们两个都在挑战，”他说。

即使可以解决方程的量子侧，Michigan大学的光学和红外干涉学专家的天文学家John Monnier也是谨慎的。具有较长且较长的基线的光学干涉仪将观察到较小且较大的物体，意味着每单位时间的光子更少。为了抵消大气的有害效果，天文学家总是拥有非常昂贵的选择，使望远镜更大 - 或者非常昂贵的是将它们放在太空中，根本没有氛围。或者，它们可以使用自适应光学器件，该自适应光学器件涉及使用在天空中靠近天空中的明亮参考物体的光，观察到校正气氛的模糊效果。但与射频天文学不同，发光源相对丰富，在光学波长中，“它非常罕见地找到一个明亮的物体[靠近]无论你想学习，所以蒙尼尔说。

未来可能的是，具有大型基线的光学干涉仪也将采用今天各个望远镜使用的自适应光学器件，这涉及在天空中射击强大的激光以创建人工参考恒星或导灯。但是，今天的激光导向恒星不适合带有数十公里的基线的干涉仪。蒙尼尔说，鉴于这种约束，建筑光学干涉仪将需要超过QHD。 “[QHDS]可能是一个非常有趣的未来，也涉及用于干涉仪或大望远镜的某种新的激光导向星。”

如果未来通过通行证，Bland-Hawthorn表示，一个全新的光学天文学时代将开放，特别是在夏威夷和智利中建造的30米和39米望远镜的干涉仪。

Bland-Hawthorn还设想能够将Sirius B和二进制系统等白矮星（如Sirius B和二元系统）分解为它们的组件恒星，测量恒星的尺寸和它们在天空中的内在速度（也称为适当的运动），更精细，解决，星星在我们的银河中心围绕着黑洞。 “跟踪黑洞周围的星星将使我们以新的方式探讨相对论的一般性理论，”Bland-Hawthorn说。

在银河系之外，他认为QHD连接的40米级望远镜将在Galaxies中解析出Virgo集群的星星，并测量这些星系的适当运动。 “最后一个实验对研究大规模结构在宇宙时间的研究中具有关键意义，由于暗处的暗物质和暗能的出现，”平坦山楂说。