Новая квантовая техника может изменить то, как мы изучаем Вселенную

В астрономии происходит революция. На самом деле, можно сказать, что их несколько. За последние десять лет значительно продвинулись исследования экзопланет, гравитационно-волновая астрономия стала новой областью, были получены первые изображения сверхмассивных черных дыр (SMBHs).

Смежная область, интерферометрия, также невероятно продвинулась вперед благодаря высокочувствительным приборам и возможности обмена и объединения данных, полученных от обсерваторий по всему миру. В частности, наука интерферометрия с очень длинной базовой линией (VLBI) открывает совершенно новые возможности.

Согласно недавнему исследованию, проведенному учеными из Австралии и Сингапура, новая квантовая техника может улучшить оптическую VLBI. Она известна как стимулированный рамановский адиабатический переход (STIRAP), который позволяет передавать квантовую информацию без потерь.

Будучи впечатанной в квантовый код коррекции ошибок, эта техника может позволить проводить наблюдения VLBI в ранее недоступных длинах волн. После интеграции с приборами следующего поколения эта техника может позволить проводить более детальные исследования черных дыр, экзопланет, Солнечной системы и поверхности далеких звезд.

Исследованием руководила Зиксин Хуанг, постдокторский научный сотрудник Центра инженерных квантовых систем (EQuS) при Университете Маккуори в Сиднее, Австралия. К ней присоединились Гэвин Бреннан, профессор теоретической физики факультета электротехники и вычислительной техники и Центра квантовых технологий Национального университета Сингапура (NUS), и Ингкай Оуян, старший научный сотрудник Центра квантовых технологий NUS.

Говоря простым языком, метод интерферометрии заключается в объединении света от различных телескопов для создания изображений объекта, который иначе было бы слишком сложно разрешить.

Интерферометрия с очень длинной базовой линией относится к специфической технике, используемой в радиоастрономии, когда сигналы от астрономических радиоисточников (черных дыр, квазаров, пульсаров, звездообразующих туманностей и т.д.) объединяются для создания детальных изображений их структуры и активности.

В последние годы с помощью VLBI были получены самые подробные изображения звезд, вращающихся вокруг Сагитарриус А* (Sgr A*), SMBH в центре нашей галактики. Она также позволила астрономам из коллаборации Event Horizon Telescope (EHT) получить первое изображение черной дыры (M87*) и самой Sgr A*!

Но, как они указали в своем исследовании, классической интерферометрии все еще мешает ряд физических ограничений, включая потерю информации, шум и тот факт, что полученный свет, как правило, имеет квантовую природу (когда фотоны запутаны). Устранив эти ограничения, VLBI можно будет использовать для гораздо более тонких астрономических исследований.

Д-р Хуанг рассказал Universe Today по электронной почте: "Современные системы формирования изображений с большой базовой линией работают в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Для реализации оптической интерферометрии необходимо, чтобы все части интерферометра были стабильны с точностью до долей длины волны света, чтобы свет мог интерферировать. Это очень трудно сделать на больших расстояниях: источники шума могут исходить от самого прибора, теплового расширения и сжатия, вибрации и т.д.; кроме того, существуют потери, связанные с оптическими элементами.

"Идея этого направления исследований заключается в том, чтобы позволить нам перейти в оптические частоты из микроволнового диапазона; эти методы в равной степени применимы и к инфракрасному диапазону. Мы уже можем проводить интерферометрию с большой базовой линией в микроволновом диапазоне. Однако в оптических частотах эта задача становится очень сложной, поскольку даже самая быстрая электроника не может напрямую измерить колебания электрического поля на этих частотах".

Ключом к преодолению этих ограничений, по словам доктора Хуанг и ее коллег, является использование методов квантовой связи, таких как стимулированный комбинационный адиабатический проход. STIRAP заключается в использовании двух когерентных световых импульсов для передачи оптической информации между двумя применимыми квантовыми состояниями.

В применении к VLBI, говорит Хуанг, это позволит эффективно и избирательно передавать популяции между квантовыми состояниями, не страдая от обычных проблем шума или потерь.

Как они описывают в своей статье ("Изображение звезд с квантовой коррекцией ошибок"), процесс, который они предполагают, включает когерентное соединение звездного света с "темными" атомными состояниями, которые не излучают.

Следующим шагом, говорит Хуанг, будет соединение света с квантовой коррекцией ошибок (QEC), техникой, используемой в квантовых вычислениях для защиты квантовой информации от ошибок из-за декогеренции и других "квантовых шумов".

Но, как указывает Хуанг, эта же техника может позволить провести более детальную и точную интерферометрию:

"Чтобы имитировать большой оптический интерферометр, свет должен собираться и обрабатываться когерентно, и мы предлагаем использовать квантовую коррекцию ошибок для смягчения ошибок из-за потерь и шума в этом процессе".

"Квантовая коррекция ошибок - это быстро развивающаяся область, в основном направленная на обеспечение масштабируемых квантовых вычислений в присутствии ошибок. В сочетании с предварительно распределенной запутанностью мы можем выполнять операции по извлечению нужной нам информации из звездного света, подавляя при этом шумы".

Для проверки своей теории команда рассмотрела сценарий, в котором два объекта (Алиса и Боб), разделенные большими расстояниями, собирают астрономический свет.

Каждый из них обладает предварительно распределенной запутанностью и содержит "квантовую память", в которую попадает свет, и каждый готовит свой собственный набор квантовых данных (кубитов) в некотором QEC-коде. Полученные квантовые состояния затем отпечатываются на общем QEC-коде декодером, который защищает данные от последующих шумных операций. 

На этапе "кодировщика" сигнал захватывается в квантовую память с помощью техники STIRAP, которая позволяет когерентно соединить входящий свет в нерадиационное состояние атома.

Возможность захвата света от астрономических источников с учетом квантовых состояний (и устранение квантового шума и потери информации) стала бы переломным моментом в интерферометрии. Более того, эти усовершенствования будут иметь значительные последствия для других областей астрономии, в которых сегодня также происходят революционные изменения.

"Перейдя на оптические частоты, такая сеть квантовой визуализации позволит улучшить разрешение изображений на три-пять порядков", - говорит Хуанг.

"Она будет достаточно мощной для получения изображений малых планет вокруг близких звезд, деталей солнечных систем, кинематики звездных поверхностей, аккреционных дисков и, возможно, деталей вокруг горизонтов событий черных дыр - ничего из того, что в настоящее время не могут разрешить запланированные проекты".

В ближайшем будущем космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) будет использовать свой передовой набор инструментов для получения инфракрасных изображений, чтобы охарактеризовать атмосферы экзопланет как никогда ранее. То же самое относится и к наземным обсерваториям, таким как Чрезвычайно большой телескоп (ELT), Гигантский Магелланов телескоп (GMT) и Тридцатиметровый телескоп (TMT).

Благодаря своим большим первичным зеркалам, адаптивной оптике, коронографам и спектрометрам эти обсерватории позволят проводить прямые исследования изображений экзопланет, получая ценную информацию об их поверхности и атмосферах.

Используя преимущества новых квантовых технологий и интегрируя их с VLBI, обсерватории получат еще один способ получения изображений некоторых из самых недоступных и труднодоступных для наблюдения объектов нашей Вселенной. Секреты, которые это может раскрыть, наверняка будут (в последний раз, обещаю!) революционными!