Det är en revolution på gång inom astronomi. I själva verket kan man säga att det finns flera. Under de senaste 10 åren har exoplanetstudier gjort avsevärt framsteg, gravitationsvågastronomi har dykt upp som ett nytt fält och de första bilderna av supermassiva svarta hål (SMBH) har tagits. Ett relaterat område, interferometri, har också utvecklats otroligt tack vare mycket känsliga instrument och förmågan att dela och kombinera data från observatorier över hela världen. I synnerhet öppnar vetenskapen om mycket lång baslinjeinterferometri (VLBI) helt nya möjligheter.

Enligt en nyligen genomförd studie av forskare från Australien och Singapore kan en ny kvantteknik förbättra optisk VLBI. Det är känt som Stimulerad Raman Adiabatisk Passage (STIRAP), vilket gör att kvantinformation kan överföras utan förluster. När den skrivs in i en kvantfelskorrigeringskod kan denna teknik möjliggöra VLBI-observationer i tidigare otillgängliga våglängder. När den väl har integrerats med nästa generations instrument kan denna teknik möjliggöra mer detaljerade studier av svarta hål, exoplaneter, solsystemet och ytorna på avlägsna stjärnor.

Forskningen leddes av Zixin Huang, en postdoktor vid Center for Engineered Quantum Systems (EQuS) vid Macquarie University i Sydney, Australien. Hon fick sällskap av Gavin Brennan, professor i teoretisk fysik vid Institutionen för elektro- och datorteknik och Centre of Quantum Technologies vid National University of Singapore (NUS), och Yingkai Ouyang, en senior forskare vid Centre of Quantum Technologies på NUS.

För att uttrycka det tydligt består interferometritekniken av att kombinera ljus från flera teleskop för att skapa bilder av ett objekt som annars skulle vara för svårt att lösa. Very Long Baseline Interferometry hänvisar till en specifik teknik som används inom radioastronomi där signaler från en astronomisk radiokälla (svarta hål, kvasarer, pulsarer, stjärnbildande nebulosor etc.) kombineras för att skapa detaljerade bilder av deras struktur och aktivitet. Under de senaste åren har VLBI gett de mest detaljerade bilderna av stjärnorna som kretsar kring Sagitarrius A* (Sgr A*), SMBH i mitten av vår galax (se ovan).

Det gjorde det också möjligt för astronomer med Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration att ta den första bilden av ett svart hål (M87*) och själva Sgr A*. Men som de indikerade i sin studie, hindras klassisk interferometri fortfarande av flera fysiska begränsningar, inklusive informationsförlust, brus och det faktum att ljuset som erhålls i allmänhet är kvant till naturen (där fotoner är intrasslade). Genom att ta itu med dessa begränsningar skulle VLBI kunna användas för mycket finare astronomiska undersökningar. Sade Dr. Huang till Universum Today via e-post:

"Nuvarande toppmoderna stora baslinjeavbildningssystem arbetar i mikrovågsbandet i det elektromagnetiska spektrumet. För att realisera optisk interferometri behöver du att alla delar av interferometern är stabila inom en bråkdel av en våglängd av ljus, så ljus kan störa. Detta är mycket svårt att göra över stora avstånd:bullerkällor kan komma från själva instrumentet, termisk expansion och sammandragning, vibrationer och så vidare; och utöver det finns det förluster associerade med de optiska elementen."

"Tanken med den här forskningslinjen är att tillåta oss att gå in i de optiska frekvenserna från mikrovågor; dessa tekniker gäller även för infraröd. Vi kan redan göra storbaslinjeinterferometri i mikrovågsugnen. Men denna uppgift blir mycket svår i optiska frekvenser , eftersom inte ens den snabbaste elektroniken direkt kan mäta svängningarna i det elektriska fältet vid dessa frekvenser."

Nyckeln till att övervinna dessa begränsningar, säger Dr Huang och hennes kollegor, är att använda kvantkommunikationstekniker som Stimulerad Raman Adiabatic Passage. STIRAP består av att använda två koherenta ljuspulser för att överföra optisk information mellan två tillämpliga kvanttillstånd. När det tillämpas på VLBI, sade Huang, kommer det att möjliggöra effektiva och selektiva befolkningsöverföringar mellan kvanttillstånd utan att drabbas av de vanliga problemen med buller eller förlust.

Som de beskriver i sin artikel, "Avbilda stjärnor med kvantfelskorrigering", skulle den process de föreställer sig innebära att sammanhängande koppla stjärnljuset till "mörka" atomära tillstånd som inte strålar. Nästa steg, sa Huang, är att koppla ljuset med quantum error correction (QEC), en teknik som används i kvantberäkning för att skydda kvantinformation från fel på grund av dekoherens och annat "kvantbrus". Men som Huang indikerar kan samma teknik möjliggöra mer detaljerad och exakt interferometri:

"För att efterlikna en stor optisk interferometer måste ljuset samlas in och bearbetas koherent, och vi föreslår att man använder kvantfelskorrigering för att mildra fel på grund av förluster och brus i denna process. Kvantfelskorrigering är ett snabbt växande område som främst fokuserar på att möjliggöra skalbar kvantberäkning i närvaro av fel. I kombination med fördistribuerad intrassling kan vi utföra de operationer som extraherar informationen vi behöver från stjärnljus samtidigt som vi undertrycker brus."

För att testa sin teori övervägde teamet ett scenario där två anläggningar (Alice och Bob) åtskilda av långa avstånd samlar astronomiskt ljus. Varje delar på förfördelad förtrassling och innehåller "kvantminnen" i vilka ljuset fångas, och var och en förbereder sin egen uppsättning kvantdata (qubits) till någon QEC-kod. De mottagna kvanttillstånden skrivs sedan in på en delad QEC-kod av en avkodare, som skyddar data från efterföljande störande operationer.

I "encoder"-steget fångas signalen in i kvantminnena via STIRAP-tekniken, vilket gör att det inkommande ljuset kan kopplas samman till ett icke-strålande tillstånd av en atom. Förmågan att fånga ljus från astronomiska källor som står för kvanttillstånd (och eliminerar kvantbrus och informationsförlust) skulle vara en spelomvandlare för interferometri. Dessutom skulle dessa förbättringar få betydande konsekvenser för andra astronomiområden som också revolutioneras idag.

"Genom att gå över till optiska frekvenser kommer ett sådant kvantavbildningsnätverk att förbättra bildupplösningen med tre till fem storleksordningar", säger Huang. "Det skulle vara tillräckligt kraftfullt för att avbilda små planeter runt närliggande stjärnor, detaljer om solsystem, kinematik för stjärnytor, ackretionsskivor och potentiellt detaljer kring händelsehorisonten för svarta hål - inget av vilka för närvarande planerade projekt kan lösa."

Inom en snar framtid kommer James Webb Space Telescope (JWST) att använda sin avancerade svit av infraröda bildinstrument för att karakterisera exoplanetatmosfärer som aldrig förr. Detsamma gäller markbaserade observatorier som Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT) och Thirty Meter Telescope (TMT). Mellan sina stora primära speglar, adaptiva optik, koronagrafer och spektrometrar kommer dessa observatorier att möjliggöra direktavbildningsstudier av exoplaneter, vilket ger värdefull information om deras ytor och atmosfärer.

Genom att dra nytta av nya kvanttekniker och integrera dem med VLBI, kommer observatorier att ha ett annat sätt att fånga bilder av några av de mest otillgängliga och svåra att se objekten i vårt universum. + Utforska vidare

En ny teori för att testa hypoteser och metoder för exoplanetdetektering