Neue Quantentechnologie könnte die Art und Weise verändern, wie wir das Universum untersuchen

In der Astronomie ist eine Revolution im Gange. Tatsächlich kann man sagen, dass es viele von ihnen gibt. In den letzten 10 Jahren hat sich die Erforschung von Exoplaneten stark weiterentwickelt, die Gravitationswellenastronomie ist als neues Gebiet entstanden und die ersten Bilder von supermassereichen Schwarzen Löchern (SMBHs) wurden aufgenommen.

Es fördert auch ein verwandtes Gebiet, die Interferometrie, mit unglaublich empfindlichen Werkzeugen und der Möglichkeit, Daten von Observatorien auf der ganzen Welt auszutauschen und zu kombinieren. Insbesondere die Wissenschaft der sehr langen fundamentalen Interferometrie (VLBI) eröffnet ganz neue Möglichkeiten.

Laut einer aktuellen Studie von Forschern aus Australien und Singapur kann eine neue Quantentechnologie das optische VLBI verbessern. Es ist als Stimulated Raman Adiabatatic Passage (STIRAP) bekannt und ermöglicht die verlustfreie Übertragung von Quanteninformationen.

Wenn diese Technologie in einen Quantenfehlerkorrekturcode gedruckt wird, kann sie VLBI-Beobachtungen bei zuvor unzugänglichen Wellenlängen ermöglichen. In Kombination mit Instrumenten der nächsten Generation könnte diese Technologie detailliertere Untersuchungen von Schwarzen Löchern, Exoplaneten, dem Sonnensystem und den Oberflächen entfernter Sterne ermöglichen.

Die Forschung wurde von Zixin Huang geleitet, einem Postdoktoranden am Centre for Engineering Quantum Systems (EQuS) an der Macquarie University in Sydney, Australien. Zu ihr gesellten sich Gavin Brennan, Professor für Theoretische Physik am Department of Electrical and Computer Engineering and the Centre for Quantum Technologies der National University of Singapore (NUS), und Yingkai Uyang, Senior Research Fellow am Centre for Quantum Technologies. in NUS.

Um es klar zu sagen, die Interferometrie-Technologie besteht darin, Licht von verschiedenen Teleskopen zu kombinieren, um Bilder eines Objekts zu erstellen, die sonst schwer aufzulösen wären.

Sehr lange fundamentale Interferometrie bezieht sich auf eine spezifische Technik, die in der Radioastronomie verwendet wird, bei der Signale von einer astronomischen Radioquelle (schwarze Löcher, Quasare, Pulsare, sternbildende Nebel usw.) kombiniert werden, um detaillierte Bilder ihrer Struktur und Aktivität zu erstellen.

In den letzten Jahren hat VLBI die detailliertesten Bilder von Sternen produziert, die Sagittarius A* (Sgr A*), SMBH im Zentrum unserer Galaxie, umkreisen. Außerdem ermöglichte es Astronomen in Zusammenarbeit mit dem Event Horizon Telescope (EHT), das erste Bild eines Schwarzen Lochs (M87*) und von Sgr A* selbst aufzunehmen!

Wie sie in ihrer Studie betonen, wird die klassische Interferometrie jedoch immer noch durch viele physikalische Einschränkungen behindert, darunter Informationsverlust, Rauschen und die Tatsache, dass das erhaltene Licht im Allgemeinen Quantencharakter hat (in dem Photonen verschränkt sind). Indem diese Einschränkungen angegangen werden, kann VLBI verwendet werden, um genauere astronomische Vermessungen durchzuführen.

Huang teilte Universe Today per E-Mail mit: “Die derzeitigen hochmodernen großen primären Bildgebungssysteme arbeiten im Mikrowellenband des elektromagnetischen Spektrums. Um optische Interferometrie zu erreichen, müssen alle Teile des Interferometers in einem stabil sein Bruchteil der Lichtwellenlänge, sodass Licht interferieren kann.

Bei großen Entfernungen ist dies sehr schwierig: Geräuschquellen können vom Gerät selbst, Wärmeausdehnung und -kontraktion, Vibration usw. stammen. Außerdem sind mit den optischen Elementen Verluste verbunden.

“Die Idee dieser Forschungsrichtung ist es, uns zu ermöglichen, von Mikrowellen auf optische Frequenzen umzuschalten; diese Techniken gelten gleichermaßen für Infrarot. Wir können tatsächlich große fundamentale Mikrowelleninterferometrie durchführen. Diese Aufgabe wird jedoch bei optischen Frequenzen sehr schwierig, weil Selbst die schnellsten elektronischen Geräte können elektrische Feldoszillationen bei diesen Frequenzen nicht direkt messen.“

Der Schlüssel zur Überwindung dieser Einschränkungen, sagen Dr. Huang und Kollegen, ist die Verwendung von Quantenkommunikationstechniken wie dem stimulierten adiabatischen Raman-Weg. STIRAP besteht aus der Verwendung von zwei miteinander verbundenen Lichtimpulsen, um optische Informationen zwischen zwei lebensfähigen Quantenzuständen zu übertragen.

Wenn es auf VLBI angewendet wird, sagte Huang, würde es effiziente und selektive Besetzungsübertragungen zwischen Quantenzuständen ermöglichen, ohne unter den üblichen Problemen von Rauschen oder Verlust zu leiden.

Wie sie in ihrem Artikel („Imaging stars with quanten error correcting“) beschreiben, beinhaltet der Prozess, den sie sich vorstellen, die kohärente Kopplung von Sternenlicht an nichtstrahlende „dunkle“ Atomzustände.

Der nächste Schritt, sagte Huang, besteht darin, Licht mit der Quantenfehlerkorrektur (QEC) zu verknüpfen, einer Technologie, die im Quantencomputing verwendet wird, um Quanteninformationen vor Fehlern aufgrund von Dekohärenz und anderem „Quantenrauschen“ zu schützen.

Aber wie Huang betont, könnte dieselbe Technik mehr Details und Genauigkeit in der Interferometrie ermöglichen:

„Um große optische Interferometer nachzuahmen, muss Licht kohärent gesammelt und verarbeitet werden, und wir schlagen vor, die Quantenfehlerkorrektur zu verwenden, um Fehler durch Verluste und Rauschen im Prozess zu reduzieren.

„Die Quantenfehlerkorrektur ist ein sich schnell entwickelndes Gebiet, das sich in erster Linie darauf konzentriert, skalierbares Quantencomputing zu ermöglichen, wenn Fehler vorhanden sind. In Kombination mit zuvor verteilter Verschränkung können wir Operationen durchführen, die die benötigten Informationen aus Sternenlicht extrahieren und gleichzeitig Rauschen unterdrücken.“

Um ihre Theorie zu testen, betrachtete das Team ein Szenario, in dem zwei durch große Entfernungen getrennte Einrichtungen (Alice und Bob) astronomisches Licht sammeln.

Jeder teilt eine vorverteilte Verschränkung und enthält „Quantenspeicher“, in denen Licht eingefangen wird, und jedes Terminal bereitet seinen eigenen Satz von Quantendaten (Qubits) in einem QEC-Code vor. Die empfangenen Quantenzustände werden dann von einem Decoder in einen gemeinsamen QEC-Code gedruckt, der die Daten vor nachfolgenden verrauschten Operationen schützt.

In der „Codierungs“-Phase wird das Signal in Quantenspeichern über die STIRAP-Technologie erfasst, die es ermöglicht, dass einfallendes Licht kohärent in einen nicht strahlenden Zustand des Atoms gekoppelt wird.

In der Lage zu sein, Licht von astronomischen Quellen aufzunehmen, die Quantenzustände interpretieren (und Quantenrauschen und Informationsverluste beseitigen), wäre eine Änderung in der Interferometrie. Darüber hinaus werden diese Verbesserungen große Auswirkungen auf andere Bereiche der Astronomie haben, die heute ebenfalls revolutioniert werden.

„Durch den Wechsel zu optischen Frequenzen wird das Quantenbildgebungsnetzwerk die Bildauflösung um drei bis fünf Größenordnungen verbessern“, sagte Huang.

„Es wäre leistungsfähig genug, um kleine Planeten um nahe Sterne, die Details von Sonnensystemen, die Kinetik von Sternoberflächen, Akkretionsscheiben und möglicherweise Details über Ereignishorizonte für Schwarze Löcher abzubilden – und kein derzeit geplantes Projekt kann dies lösen.“

In naher Zukunft wird das James Webb Space Telescope (JWST) seine fortschrittlichen Infrarot-Bildgebungsinstrumente einsetzen, um die Atmosphären von Exoplaneten wie nie zuvor zu charakterisieren. Dasselbe gilt für bodengestützte Observatorien wie das Very Large Telescope (ELT), das Giant Magellan Telescope (GMT) und das Thirty Meter Telescope (TMT).

Zwischen großen Primärspiegeln, adaptiven Optiken, Koronalwirbeln und Spektrometern werden diese Observatorien direkte bildgebende Untersuchungen von Exoplaneten ermöglichen und wertvolle Informationen über ihre Oberflächen und Atmosphären liefern.

Durch die Nutzung neuer Quantentechnologien und deren Integration mit VLBI werden Observatorien eine weitere Möglichkeit haben, Bilder von einigen der unzugänglichsten und am schwersten zu sehenden Objekte unserer Welt aufzunehmen. Die Geheimnisse, die dies enthüllen kann, werden definitiv (das letzte Mal, das verspreche ich!) Revolutionär sein!

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

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