Teleskope haben in den letzten Jahrhunderten einen langen Weg zurückgelegt. Aus den vergleichsweise bescheidenen Geräten, die von Astronomen wie Galileo Galilei und Johannes Kepler gebaut wurden, haben sich Teleskope zu massiven Instrumenten entwickelt, für deren Unterbringung eine ganze Einrichtung sowie eine vollständige Besatzung und ein Netzwerk von Computern erforderlich sind. Und in den kommenden Jahren werden viel größere Observatorien gebaut, die noch mehr können.
Leider hat dieser Trend zu immer größeren Instrumenten viele Nachteile. Für den Anfang erfordern immer größere Observatorien entweder immer größere Spiegel oder viele Teleskope, die zusammenarbeiten - beides sind teure Aussichten. Glücklicherweise hat ein Team vom MIT vorgeschlagen, Interferometrie mit Quantenteleportation zu kombinieren, was die Auflösung von Arrays erheblich erhöhen könnte, ohne auf größere Spiegel angewiesen zu sein.
Um es einfach auszudrücken: Interferometrie ist ein Prozess, bei dem Licht von mehreren kleineren Teleskopen erhalten und dann kombiniert wird, um Bilder von dem zu rekonstruieren, was sie beobachtet haben. Dieses Verfahren wird von Einrichtungen wie dem Very Large Telescope Interferometer (VLTI) in Chile und dem Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) in Kalifornien angewendet.
Ersteres basiert auf vier 8,2 m (27 ft) Hauptspiegeln und vier beweglichen 1,8 m (5,9 ft) Hilfsteleskopen - was einer Auflösung entspricht, die einem 140 m (460 ft) Spiegel entspricht -, während letzteres auf sechs Ein-Meter-Spiegeln basiert Teleskop, das eine Auflösung ergibt, die einem 330-m-Spiegel entspricht. Kurz gesagt, die Interferometrie ermöglicht es Teleskoparrays, Bilder mit einer höheren Auflösung zu erzeugen, als dies sonst möglich wäre.
Einer der Nachteile ist, dass Photonen während des Übertragungsprozesses unvermeidlich verloren gehen. Infolgedessen können Arrays wie VLTI und CHARA nur zum Anzeigen heller Sterne verwendet werden, und der Bau größerer Arrays, um dies zu kompensieren, wirft erneut das Problem der Kosten auf. Johannes Borregaard, Postdoktorand am Zentrum für Quantentheoretische Mathematik (QMATH) der Universität Kopenhagen und Mitautor des Papiers, sagte dem Space Magazine per E-Mail:
„Eine Herausforderung der astronomischen Bildgebung besteht darin, eine gute Auflösung zu erzielen. Die Auflösung ist ein Maß dafür, wie klein die Merkmale sind, die Sie abbilden können, und wird letztendlich durch das Verhältnis zwischen der Wellenlänge des von Ihnen gesammelten Lichts und der Größe Ihres Geräts festgelegt (Rayleigh-Grenze). Teleskop-Arrays fungieren als ein riesiger Apparat. Je größer Sie das Array machen, desto besser wird die Auflösung. “
Dies ist natürlich mit sehr hohen Kosten verbunden. Beispielsweise wird das extrem große Teleskop, das derzeit in der Atacama-Wüste in Chile gebaut wird, das größte optische Teleskop und Nahinfrarot-Teleskop der Welt sein. Bei ihrem ersten Vorschlag im Jahr 2012 gab die ESO an, dass das Projekt auf der Grundlage der Preise von 2012 rund 1 Milliarde Euro (1,12 Milliarden US-Dollar) kosten würde. Inflationsbereinigt beläuft sich dies auf 1,23 Mrd. USD im Jahr 2018 und auf rund 1,47 Mrd. USD (unter der Annahme einer Inflationsrate von 3%) bis 2024, wenn der Bau abgeschlossen sein soll.
"Darüber hinaus sind astronomische Quellen im optischen Bereich oft nicht sehr hell", fügte Borregaard hinzu. „Während es eine Reihe klassischer Stabilisierungstechniken gibt, um die ersteren anzugehen, wirft die letztere ein grundlegendes Problem für den normalen Betrieb von Teleskoparrays auf. Die Standardtechnik der lokalen Aufzeichnung des Lichts an jedem Teleskop führt zu zu viel Rauschen, um für schwache Lichtquellen zu arbeiten. Infolgedessen arbeiten alle aktuellen optischen Teleskopanordnungen, indem sie das Licht von verschiedenen Teleskopen direkt an einer einzelnen Messstation kombinieren. Der zu zahlende Preis ist die Dämpfung des Lichts bei der Übertragung zur Messstation. Dieser Verlust ist eine schwerwiegende Einschränkung für die Konstruktion sehr großer Teleskoparrays im optischen Bereich (aktuelle optische Arrays haben Größen von maximal ~ 300 m) und wird letztendlich die Auflösung begrenzen, sobald wirksame Stabilisierungstechniken vorhanden sind. “
Dazu schlägt das Harvard-Team unter der Leitung von Emil Khabiboulline, einem Doktoranden am Harvard Department of Physics, vor, sich auf Quantenteleportation zu verlassen. In der Quantenphysik beschreibt die Teleportation den Prozess, bei dem Eigenschaften von Partikeln durch Quantenverschränkung von einem Ort zum anderen transportiert werden. Dies würde, wie Borregard erklärt, die Erstellung von Bildern ohne die Verluste ermöglichen, die bei normalen Interferometern auftreten:
„Eine wichtige Beobachtung ist, dass die Verschränkung, eine Eigenschaft der Quantenmechanik, es uns ermöglicht, einen Quantenzustand in einem als Quantenteleportation bezeichneten Prozess von einem Ort zum anderen zu senden, ohne ihn physikalisch zu übertragen. Hier kann das Licht der Teleskope zur Messstation „teleportiert“ werden, wodurch jeglicher Übertragungsverlust umgangen wird. Diese Technik würde im Prinzip Arrays beliebiger Größe ermöglichen, vorausgesetzt, andere Herausforderungen wie die Stabilisierung werden behandelt. “
Bei Verwendung für quantenunterstützte Teleskope wäre die Idee, einen konstanten Strom von verschränkten Paaren zu erzeugen. Während sich eines der gepaarten Teilchen am Teleskop befand, wanderte das andere zum zentralen Interferometer. Wenn ein Photon von einem entfernten Stern ankommt, interagiert es mit einem dieser Paare und wird sofort zum Interferometer teleportiert, um ein Bild zu erstellen.
Mit dieser Methode können Bilder mit den Verlusten erstellt werden, die bei normalen Interferometern auftreten. Die Idee wurde erstmals 2011 von Gottesman, Jennewein und Croke von der University of Waterloo vorgeschlagen. Zu dieser Zeit haben sie und andere Forscher verstanden, dass das Konzept für jedes einfallende Photon ein verschränktes Paar erzeugen muss, das in der Größenordnung von Billionen Paaren pro Sekunde liegt.
Dies war mit der damals aktuellen Technologie einfach nicht möglich; Dank der jüngsten Entwicklungen im Bereich Quantencomputer und -speicherung ist dies jetzt möglicherweise möglich. Wie Borregaard anzeigte:
„[W]e skizzieren, wie das Licht in kleine Quantenspeicher komprimiert werden kann, die die Quanteninformation bewahren. Solche Quantenspeicher könnten aus Atomen bestehen, die mit dem Licht interagieren. Techniken zur Übertragung des Quantenzustands eines Lichtimpulses in ein Atom wurden bereits mehrfach in Experimenten demonstriert. Infolge der Komprimierung in den Speicher verbrauchen wir im Vergleich zu speicherlosen Schemata wie dem von Gottesman et al. Deutlich weniger verschränkte Paare. Zum Beispiel erfordert unser Schema für einen Stern der Größe 10 und eine Messbandbreite von 10 GHz eine Verschränkungsrate von ~ 200 kHz unter Verwendung eines 20-Qubit-Speichers anstelle der vorherigen 10 GHz. Solche Spezifikationen sind mit der aktuellen Technologie machbar und schwächere Sterne würden zu noch größeren Einsparungen bei nur geringfügig größeren Speichern führen. “
Diese Methode könnte zu völlig neuen Möglichkeiten für die astronomische Bildgebung führen. Zum einen wird dadurch die Auflösung von Bildern drastisch erhöht, und Arrays können möglicherweise Auflösungen erzielen, die denen eines 30-km-Spiegels entsprechen. Darüber hinaus könnten Astronomen Exoplaneten mithilfe der direkten Bildgebungstechnik mit Auflösungen bis zur Mikrosekunden-Ebene erkennen und untersuchen.
"Der aktuelle Rekord liegt bei Millibogensekunden", sagte Borregaard. „Eine solche Erhöhung der Auflösung wird es Astronomen ermöglichen, auf eine Reihe neuartiger astronomischer Grenzen zuzugreifen, die von der Bestimmung der Eigenschaften von Planetensystemen bis zur Untersuchung von Cepheiden und interagierenden Binärdateien reichen. Von Interesse für astronomische Teleskopdesigner wäre unser Schema für die Implementierung im Weltraum gut geeignet. wo Stabilisierung weniger ein Problem ist. Ein weltraumgestütztes optisches Teleskop im Maßstab von 10 bis 4 Kilometern wäre in der Tat sehr leistungsfähig. “
In den kommenden Jahrzehnten sollen viele Weltraum- und bodengestützte Observatorien der nächsten Generation gebaut oder eingesetzt werden. Es wird bereits erwartet, dass diese Instrumente eine erheblich höhere Auflösung und Leistungsfähigkeit bieten. Mit der quantenunterstützten Technologie könnten diese Observatorien sogar die Geheimnisse der Dunklen Materie und der Dunklen Energie lösen und außersolare Planeten bis ins kleinste Detail untersuchen.
Die Studie des Teams, „Quantum-Assisted Telescope Arrays“, wurde kürzlich online veröffentlicht. Neben Khabiboulline und Borregaard wurde die Studie von Kristiaan De Greve (einem Harvard-Postdoktoranden) und Mikhail Lukin - einem Harvard-Professor für Physik und Leiter der Lukin-Gruppe am Harvard Quantum Optics Laboratory - gemeinsam verfasst.
