Kvantni zaplet mogao bi da pretvori mrežu malih teleskopa u jedan ogroman instrument

Svemir retko otkriva svoje tajne lako. Ono što se čini kao jedna svetla tačka može biti dva bliska zvezdana objekta, a sitno treperenje može otkriti daleku egzoplanetu skrivenu u blještavilu svoje zvezde. Tradicionalno rešenje za bolje detalje bilo je jednostavno: praviti veće teleskope. Ali zbog fizičkih i finansijskih ograničenja postoji granica koliko ogroman jedan instrument može da bude.

Ideja: umesto većeg ogledala, kvantna mreža

Tim istraživača iz NASA Goddard, University of Maryland i University of Arizona predlaže drugačiji pristup: umesto spajanja svetlosnih snopova na jednu lokaciju, male i udaljene optičke stanice mogu da kombinuju informacije koristeći kvantni zaplet. Ako se ova ideja pokaže praktičnom, mreža manjih teleskopa bi mogla da postigne rezoluciju sličnu onoj koju ima jedan ogroman teleskop — bez potrebe za prenošenjem osetljivih snopova svetlosti preko dugih, gubitničkih kanala.

Ključne komponente: sortiranje prostornog moda i kvantna memorija

Umesto da svetlost posmatraju samo kao talasnu sliku, istraživači smatraju da je korisnije posmatrati je kao kvantni nosač informacija. Jedna od efikasnih strategija je sortiranje prostornog moda — uređaj koji razdvaja dolaznu zvezdanu svetlost na različite prostorne obrasce (mode) i šalje svaki obrazac svom detektoru. To omogućava izvlačenje više informacije iz veoma slabih ili sitnih izvora.

Međutim, čak i kada se modu sortira lokalno, tradicionalni pristup zahteva kombinovanje tih modova pomoću fizičkih razdelitelja snopa (beam splitters) — što opet vraća problem prenošenja svetlosti i gubitaka.

Rešenje: entanglement-assisted zajednička merenja

Umesto fizičkog spajanja snopova, autori predlažu korišćenje kvantnog zapleta između udaljenih kvantnih memorija (na primer atomske kvantne memorije koje čuvaju kvbitove). Korišćenjem zapleta zajedno sa klasičnom komunikacijom moguće je matematički rekonstruisati iste vrste zajedničkih kvantnih merenja koje bi obavili fizički beam splitteri. Drugim rečima, teleskopi mogu da "interferiraju" preko podataka, bez međusobnog susreta njihovih svetlosnih snopova.

„Smislili smo način da izvedemo parno kombinovanje lokalno sortiranih snopova zvezdane svetlosti u nizu razdelitelja snopa, ali bez ijednog fizičkog razdelitelja i bez ikada fizički dovoditi svetlost iz dva teleskopa na jedno mesto,” rekao je Saikat Guha iz University of Arizona.

Novi okvir ne ograničava se samo na kvantnu verziju stare interferometrije faznog skeniranja — već dozvoljava proizvoljna zajednička kvantna merenja u mreži teleskopa, što znači da u principu može ostvariti najefikasnija merenja dozvoljena kvantnom mehanikom.

Rezultati i eksperimentalni pomak

Deteljni proračuni za realistične astronomske scenarije — na primer razlučivanje dve blisko postavljene tačkaste izvore — pokazuju da bi mreža teleskopa potpomognuta zapletom mogla nadmašiti i pojedinačne velike teleskope i klasične sisteme dugobazne interferometrije koji zavise isključivo od prenosa svetlosti.

Važno je i to što su ključni elementi pristupa već delimično demonstrirani u laboratoriji. Istraživači na Harvardu ostvarili su udaljeni zaplet između atomskih kvantnih memorija koristeći silicon-vacancy centre u dijamantu, potvrđujući da je osnovna fizika ostvariva.

Moguće primene

Ako se metoda pokaže praktičnom i skalabilnom, mogla bi da promeni posmatranje univerzuma i nađe primenu u oblastima kao što su:

• otkrivanje i karakterizacija egzoplaneta;
• lokalizacija i proučavanje zvezdanih klastera;
• otkrivanje promena i nadzor objekata za svemirsko situaciono svesno praćenje;
• klasifikacija slabih ili blisko razdvojenih izvora u astronomskim katalogama.

Za sada je rad teoretski i dokumentovan u časopisu Physical Review Letters, ali predstavlja važan smer: sledeći veliki napredak u astrorezoluciji možda neće doći samo iz većih ogledala, već iz razvoja kvantnih komunikacionih mreža koje povezuju male teleskope.