I telescopi hanno fatto molta strada negli ultimi secoli. Dai dispositivi relativamente modesti costruiti da astronomi come Galileo Galilei e Johannes Kepler, i telescopi si sono evoluti per diventare enormi strumenti che richiedono un'intera struttura per ospitarli e un equipaggio completo e una rete di computer per gestirli. E nei prossimi anni verranno costruiti osservatori molto più grandi che possono fare ancora di più.
Sfortunatamente, questa tendenza verso strumenti sempre più grandi presenta molti inconvenienti. Per cominciare, osservatori sempre più grandi richiedono specchi sempre più grandi o molti telescopi che lavorano insieme - entrambi sono prospettive costose. Fortunatamente, un team del MIT ha proposto di combinare l'interferometria con il teletrasporto quantistico, che potrebbe aumentare significativamente la risoluzione degli array senza fare affidamento su specchi più grandi.
Per dirla semplicemente, l'interferometria è un processo in cui la luce viene ottenuta da più telescopi più piccoli e quindi combinata per ricostruire le immagini di ciò che hanno osservato. Questo processo viene utilizzato da strutture come Very Large Telescope Interferometer (VLTI) in Cile e il Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) in California.
Il primo si basa su quattro specchi principali da 8,2 m (27 piedi) e quattro telescopi ausiliari mobili da 1,8 m (5,9 piedi) - che gli conferiscono una risoluzione equivalente a uno specchio da 140 m (460 piedi) - mentre il secondo si basa su sei specchi da un metro telescopio, che gli conferisce una risoluzione equivalente a uno specchio da 330 m (1083 piedi). In breve, l'interferometria consente agli array di telescopi di produrre immagini con una risoluzione più elevata di quanto sarebbe altrimenti possibile.
Uno degli svantaggi è che i fotoni si perdono inevitabilmente durante il processo di trasmissione. Di conseguenza, array come VLTI e CHARA possono essere utilizzati solo per visualizzare stelle luminose e la costruzione di array più grandi per compensare ciò solleva nuovamente il problema dei costi. Johannes Borregaard - un borsista post-dottorato presso il Center for Mathematics of Quantum Theory (QMATH) dell'Università di Copenaghen e coautore del documento - ha detto a Space Magazine via e-mail:
“Una sfida dell'imaging astronomico è ottenere una buona risoluzione. La risoluzione è una misura di quanto piccole siano le caratteristiche che puoi immaginare ed è in definitiva impostata dal rapporto tra la lunghezza d'onda della luce che stai raccogliendo e la dimensione del tuo apparato (limite di Rayleigh). Gli array di telescopi funzionano come un unico apparato gigante e più grande si rende l'array la migliore risoluzione che si ottiene. "
Ma ovviamente, questo ha un costo molto elevato. Ad esempio, il telescopio estremamente grande, attualmente in costruzione nel deserto di Atacama in Cile, sarà il più grande telescopio ottico e a infrarossi vicini al mondo. Quando è stato proposto per la prima volta nel 2012, l'ESO ha indicato che il progetto sarebbe costato circa 1 miliardo di euro (1,12 miliardi di dollari) in base ai prezzi del 2012. Aggiustato per l'inflazione, che ammonta a $ 1,23 miliardi nel 2018 e circa $ 1,47 miliardi (ipotizzando un tasso di inflazione del 3%) entro il 2024, quando si prevede che la costruzione sarà completata.
"Inoltre, le fonti astronomiche spesso non sono molto brillanti nel regime ottico", ha aggiunto Borregaard. “Sebbene esistano numerose tecniche classiche di stabilizzazione per affrontare la prima, la seconda pone un problema fondamentale per il modo in cui le matrici del telescopio vengono normalmente utilizzate. La tecnica standard di registrazione locale della luce su ciascun telescopio produce troppo rumore per funzionare con fonti di luce debole. Di conseguenza, tutti gli attuali array di telescopi ottici funzionano combinando la luce di diversi telescopi direttamente in una singola stazione di misurazione. Il prezzo da pagare è l'attenuazione della luce nella trasmissione alla stazione di misurazione. Questa perdita è una grave limitazione per la costruzione di matrici di telescopi molto grandi nel regime ottico (le attuali matrici ottiche hanno dimensioni massime di ~ 300 m) e alla fine limiteranno la risoluzione una volta messe in atto efficaci tecniche di stabilizzazione. "
Per questo, il team di Harvard - guidato da Emil Khabiboulline, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica di Harvard - suggerisce di fare affidamento sul teletrasporto quantistico. Nella fisica quantistica, il teletrasporto descrive il processo in cui le proprietà delle particelle vengono trasportate da una posizione all'altra tramite l'entanglement quantistico. Ciò, come spiega Borregard, consentirebbe la creazione di immagini senza le perdite riscontrate con i normali interferometri:
“Un'osservazione chiave è che l'entanglement, una proprietà della meccanica quantistica, ci consente di inviare uno stato quantico da una posizione all'altra senza trasmetterlo fisicamente, in un processo chiamato teletrasporto quantico. Qui, la luce dei telescopi può essere "teletrasportata" verso la stazione di misurazione, evitando così ogni perdita di trasmissione. Questa tecnica in linea di principio consentirebbe matrici di dimensioni arbitrarie ipotizzando che vengano affrontate altre sfide come la stabilizzazione. "
Se usato per il bene di telescopi quantici assistiti, l'idea sarebbe quella di creare un flusso costante di coppie intrecciate. Mentre una delle particelle accoppiate risiederebbe sul telescopio, l'altra viaggerebbe verso l'interferometro centrale. Quando un fotone arriva da una stella lontana, interagirà con una di queste coppie e verrà immediatamente teletrasportato all'interferometro per creare un'immagine.
Utilizzando questo metodo, è possibile creare immagini con le perdite riscontrate con normali interferometri. L'idea è stata proposta per la prima volta nel 2011 da Gottesman, Jennewein e Croke dell'Università di Waterloo. All'epoca, loro e altri ricercatori avevano capito che il concetto avrebbe dovuto generare una coppia intrecciata per ciascun fotone in arrivo, che è dell'ordine di trilioni di paia al secondo.
Questo semplicemente non era possibile utilizzando la tecnologia attuale; ma grazie ai recenti sviluppi nell'informatica e nell'archiviazione quantistica, ora potrebbe essere possibile. Come indicato da Borregaard:
“[W]Descriviamo come la luce può essere compressa in piccole memorie quantistiche che conservano l'informazione quantistica. Tali memorie quantistiche potrebbero consistere in atomi che interagiscono con la luce. Le tecniche per trasferire lo stato quantico di un impulso luminoso in un atomo sono già state dimostrate più volte in esperimenti. Come risultato della compressione in memoria, usiamo significativamente meno coppie intrecciate rispetto a schemi senza memoria come quello di Gottesman et al. Ad esempio, per una stella di magnitudo 10 e una larghezza di banda di misurazione di 10 GHz, il nostro schema richiede ~ 200 kHz di velocità di entanglement utilizzando una memoria da 20 qubit anziché i 10 GHz prima. Tali specifiche sono realizzabili con la tecnologia attuale e stelle più deboli porterebbero a risparmi ancora maggiori con memorie solo leggermente più grandi. "
Questo metodo potrebbe portare ad alcune opportunità completamente nuove quando si tratta di imaging astronomico. Da un lato, aumenterà notevolmente la risoluzione delle immagini e forse renderà possibile agli array di ottenere risoluzioni equivalenti a quelle di uno specchio di 30 km. Inoltre, potrebbe consentire agli astronomi di rilevare e studiare esopianeti utilizzando la tecnica di imaging diretto con risoluzioni fino al livello dei micro-secondi.
"Il record attuale è di circa mille secondi", ha detto Borregaard. "Un tale aumento della risoluzione consentirà agli astronomi di accedere a una serie di nuove frontiere astronomiche che vanno dalla determinazione delle caratteristiche dei sistemi planetari allo studio dei cefeidi e l'interazione dei binari ... Di interesse per i progettisti di telescopi astronomici, il nostro schema sarebbe adatto per l'implementazione nello spazio, dove la stabilizzazione è meno problematica. Un telescopio ottico basato sullo spazio sulla scala di 10 ^ 4 chilometri sarebbe davvero molto potente. ”
Nei prossimi decenni, molti osservatori spaziali e terrestri di prossima generazione saranno costruiti o distribuiti. Si prevede che questi strumenti offriranno una risoluzione e una capacità notevolmente maggiori. Con l'aggiunta della tecnologia quantistica assistita, questi osservatori potrebbero persino essere in grado di risolvere i misteri della materia oscura e dell'energia oscura e studiare pianeti extra-solari con dettagli sorprendenti.
Lo studio del team, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", è apparso di recente online. Oltre a Khabiboulline e Borregaard, lo studio è stato co-autore di Kristiaan De Greve (collega post-dottorato di Harvard) e Mikhail Lukin - professore di fisica di Harvard e capo del gruppo Lukin presso il Quantum Optics Laboratory di Harvard.
