Er is een revolutie gaande in de astronomie. Sterker nog, je zou kunnen zeggen dat er meerdere zijn. In de afgelopen 10 jaar is het onderzoek naar exoplaneten aanzienlijk gevorderd, is astronomie met zwaartekrachtgolven als een nieuw veld naar voren gekomen en zijn de eerste beelden van superzware zwarte gaten (SMBH's) vastgelegd. Een gerelateerd veld, interferometrie, is ook ongelooflijk vooruitgegaan dankzij zeer gevoelige instrumenten en de mogelijkheid om gegevens van observatoria over de hele wereld te delen en te combineren. Met name de wetenschap van interferometrie met zeer lange basislijn (VLBI) opent geheel nieuwe mogelijkheden.

Volgens een recente studie van onderzoekers uit Australië en Singapore zou een nieuwe kwantumtechniek de optische VLBI kunnen verbeteren. Het staat bekend als Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), waarmee kwantuminformatie zonder verlies kan worden overgedragen. Wanneer ingeprent in een kwantumfoutcorrectiecode, kan deze techniek VLBI-waarnemingen mogelijk maken in voorheen ontoegankelijke golflengten. Eenmaal geïntegreerd met instrumenten van de volgende generatie, zou deze techniek gedetailleerdere studies van zwarte gaten, exoplaneten, het zonnestelsel en de oppervlakken van verre sterren mogelijk kunnen maken.

Het onderzoek werd geleid door Zixin Huang, een postdoctoraal onderzoeker bij het Centre for Engineered Quantum Systems (EQuS) aan de Macquarie University in Sydney, Australië. Ze werd vergezeld door Gavin Brennan, een professor in theoretische natuurkunde bij de afdeling Electrical and Computer Engineering en het Center of Quantum Technologies aan de National University of Singapore (NUS), en Yingkai Ouyang, een senior research fellow bij het Center of Quantum Technologies bij NUS.

Om het duidelijk te stellen, de interferometrietechniek bestaat uit het combineren van licht van meerdere telescopen om afbeeldingen te maken van een object dat anders te moeilijk op te lossen zou zijn. Very Long Baseline Interferometrie verwijst naar een specifieke techniek die in de radioastronomie wordt gebruikt, waarbij signalen van een astronomische radiobron (zwarte gaten, quasars, pulsars, stervormende nevels, enz.) worden gecombineerd om gedetailleerde beelden van hun structuur en activiteit te creëren. De afgelopen jaren heeft VLBI de meest gedetailleerde beelden opgeleverd van de sterren die rond Sagitarrius A* (Sgr A*), de SMBH in het centrum van onze melkweg (zie hierboven) draaien.

Het stelde astronomen met de Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration ook in staat om het eerste beeld van een zwart gat (M87*) en Sgr A* zelf vast te leggen. Maar zoals ze in hun onderzoek aangaven, wordt klassieke interferometrie nog steeds gehinderd door verschillende fysieke beperkingen, waaronder informatieverlies, ruis en het feit dat het verkregen licht over het algemeen kwantum van aard is (waarbij fotonen verstrengeld zijn). Door deze beperkingen aan te pakken, zou VLBI kunnen worden gebruikt voor veel fijnere astronomische onderzoeken. Zei Dr. Huang tegen Universe Today via e-mail:

"De huidige ultramoderne grote basislijnbeeldvormingssystemen werken in de microgolfband van het elektromagnetische spectrum. Om optische interferometrie te realiseren, moeten alle onderdelen van de interferometer stabiel zijn tot op een fractie van een golflengte van licht, dus de licht kan interfereren. Dit is heel moeilijk te doen over grote afstanden:bronnen van ruis kunnen afkomstig zijn van het instrument zelf, thermische uitzetting en krimp, trillingen enz. En daarbovenop zijn er verliezen in verband met de optische elementen."

"Het idee van deze onderzoekslijn is om ons in staat te stellen naar de optische frequenties van microgolven te gaan; deze technieken zijn evenzeer van toepassing op infrarood. We kunnen al grote basislijninterferometrie in de magnetron doen. Deze taak wordt echter erg moeilijk in optische frequenties , omdat zelfs de snelste elektronica de oscillaties van het elektrische veld bij deze frequenties niet direct kan meten."

De sleutel tot het overwinnen van deze beperkingen, zegt Dr. Huang en haar collega's, is het gebruik van kwantumcommunicatietechnieken zoals Stimulated Raman Adiabatic Passage. STIRAP bestaat uit het gebruik van twee coherente lichtpulsen om optische informatie over te dragen tussen twee toepasselijke kwantumtoestanden. Wanneer het wordt toegepast op VLBI, zei Huang, zal het efficiënte en selectieve populatieoverdrachten tussen kwantumtoestanden mogelijk maken zonder last te hebben van de gebruikelijke problemen van ruis of verlies.

Zoals ze beschrijven in hun paper, "Beeldvorming van sterren met kwantumfoutcorrectie", zou het proces dat ze voor ogen hadden het coherent koppelen van het sterlicht aan "donkere" atomaire toestanden die niet uitstralen omvatten. De volgende stap, zei Huang, is om het licht te koppelen aan kwantumfoutcorrectie (QEC), een techniek die wordt gebruikt in kwantumcomputers om kwantuminformatie te beschermen tegen fouten als gevolg van decoherentie en andere 'kwantumruis'. Maar zoals Huang aangeeft, kan deze zelfde techniek meer gedetailleerde en nauwkeurige interferometrie mogelijk maken:

"Om een ​​grote optische interferometer na te bootsen, moet het licht coherent worden verzameld en verwerkt, en we stellen voor om kwantumfoutcorrectie te gebruiken om fouten als gevolg van verlies en ruis in dit proces te verminderen. Kwantumfoutcorrectie is een zich snel ontwikkelend gebied dat voornamelijk gericht is op het mogelijk maken van schaalbare kwantumcomputing in aanwezigheid van fouten. In combinatie met voorgedistribueerde verstrengeling kunnen we de bewerkingen uitvoeren die de informatie die we nodig hebben uit sterrenlicht halen en ruis onderdrukken."

Om hun theorie te testen, overwoog het team een ​​scenario waarin twee faciliteiten (Alice en Bob) gescheiden door lange afstanden astronomisch licht verzamelen. Elk deelt voorverdeelde verstrengeling en bevat "kwantumgeheugens" waarin het licht wordt gevangen, en elk bereidt zijn eigen set kwantumgegevens (qubits) voor in een QEC-code. De ontvangen kwantumstatussen worden vervolgens door een decoder op een gedeelde QEC-code gedrukt, die de gegevens beschermt tegen daaropvolgende bewerkingen met ruis.

In de "encoder"-fase wordt het signaal vastgelegd in de kwantumgeheugens via de STIRAP-techniek, waardoor het binnenkomende licht coherent kan worden gekoppeld aan een niet-stralingstoestand van een atoom. Het vermogen om licht te vangen van astronomische bronnen die rekening houden met kwantumtoestanden (en kwantumruis en informatieverlies elimineert) zou een doorbraak betekenen voor interferometrie. Bovendien zouden deze verbeteringen aanzienlijke implicaties hebben voor andere gebieden van de astronomie die ook vandaag de dag een revolutie teweegbrengen.

"Door naar optische frequenties te gaan, zal zo'n kwantumbeeldvormingsnetwerk de beeldresolutie met drie tot vijf ordes van grootte verbeteren", zei Huang. "Het zou krachtig genoeg zijn om kleine planeten rond nabije sterren, details van zonnestelsels, kinematica van stellaire oppervlakken, accretieschijven en mogelijk details rond de waarnemingshorizon van zwarte gaten in beeld te brengen - die momenteel geen van de geplande projecten kunnen oplossen."

In de nabije toekomst zal de James Webb Space Telescope (JWST) zijn geavanceerde reeks infraroodbeeldvormingsinstrumenten gebruiken om de atmosfeer van exoplaneten als nooit tevoren te karakteriseren. Hetzelfde geldt voor observatoria op de grond, zoals de Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT) en Thirty Meter Telescope (TMT). Tussen hun grote primaire spiegels, adaptieve optica, coronagrafen en spectrometers zullen deze observatoria Direct Imaging-onderzoeken van exoplaneten mogelijk maken, wat waardevolle informatie oplevert over hun oppervlakken en atmosferen.

Door gebruik te maken van nieuwe kwantumtechnieken en deze te integreren met VLBI, zullen observatoria een andere manier hebben om beelden vast te leggen van enkele van de meest ontoegankelijke en moeilijk te zien objecten in ons universum. + Verder verkennen

Een nieuwe theorie om hypothesen en methoden voor detectie van exoplaneten te testen