لقد قطعت التلسكوبات شوطا طويلا في القرون القليلة الماضية. من الأجهزة المتواضعة نسبيًا التي بناها علماء الفلك مثل جاليليو جاليلي ويوهانس كيبلر ، تطورت المقاريب لتصبح أدوات ضخمة تتطلب منشأة كاملة لإيوائها وطاقم كامل وشبكة من أجهزة الكمبيوتر لتشغيلها. وفي السنوات القادمة ، سيتم إنشاء مراصد أكبر بكثير يمكنها القيام بالمزيد.
لسوء الحظ ، فإن هذا الاتجاه نحو أدوات أكبر وأكبر له العديد من السلبيات. بالنسبة للمبتدئين ، تتطلب المراصد الكبيرة بشكل متزايد إما مرايا كبيرة بشكل متزايد أو العديد من التلسكوبات التي تعمل معًا - وكلاهما احتمالات باهظة الثمن. لحسن الحظ ، اقترح فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الجمع بين قياس التداخل مع النقل الكمي ، مما قد يزيد بشكل كبير من دقة الصفائف دون الاعتماد على المرايا الأكبر.
بكل بساطة ، التداخل هو عملية حيث يتم الحصول على الضوء من خلال عدة مقاريب أصغر ثم يتم دمجها لإعادة بناء صور لما لاحظوه. يتم استخدام هذه العملية من قبل مرافق مثل مقياس التداخل التلسكوبي الكبير جدًا (VLTI) في تشيلي ومركز علم الفلك عالي الدقة (CHARA) في كاليفورنيا.
تعتمد الأولى على أربعة مرايا رئيسية بطول 8.2 متر (27 قدمًا) وأربعة مقاريب مساعدة متحركة بطول 1.8 متر (5.9 قدم) - مما يمنحها دقة تعادل مرآة 140 م (460 قدمًا) - بينما تعتمد الأخيرة على ستة مرايا بطول متر واحد التلسكوب ، الذي يمنحه دقة تعادل مرآة بطول 330 م (1083 قدم). باختصار ، يسمح قياس التداخل لمصفوفات التليسكوب بإنتاج صور ذات دقة أعلى مما كان ممكنًا.
أحد العوائق هو أن الفوتونات تفقد حتمًا أثناء عملية الإرسال. ونتيجة لذلك ، لا يمكن استخدام صفائف مثل VLTI و CHARA إلا لعرض النجوم الساطعة ، ويثير بناء صفائف أكبر للتعويض عن ذلك مرة أخرى مسألة التكاليف. كما أخبر يوهانس بوريجارد - زميل ما بعد الدكتوراه في مركز رياضيات نظرية الكم في جامعة كوبنهاجن (QMATH) ومؤلف مشارك في الورقة - لمجلة الفضاء عبر البريد الإلكتروني:
"أحد تحديات التصوير الفلكي هو الحصول على دقة جيدة. الدقة هي مقياس لمدى صغر الميزات التي يمكنك تصويرها ويتم تعيينها في النهاية من خلال النسبة بين الطول الموجي للضوء الذي تجمعه وحجم جهازك (حد Rayleigh). تعمل صفيفات التلسكوب كجهاز واحد عملاق وكلما زاد حجم الصفيف ، أصبحت الدقة أفضل. "
ولكن بالطبع ، هذا يأتي بتكلفة عالية جدًا. على سبيل المثال ، سيكون التلسكوب الكبير للغاية ، الذي يتم بناؤه حاليًا في صحراء أتاكاما في تشيلي ، أكبر تلسكوب بصري وقريب من الأشعة تحت الحمراء في العالم. عندما تم اقتراحه لأول مرة في عام 2012 ، أشارت ESO إلى أن المشروع سيكلف حوالي 1 مليار يورو (1.12 مليار دولار) بناءً على أسعار عام 2012. معدلة للتضخم ، والتي تصل إلى 1.23 مليار دولار في عام 2018 ، وحوالي 1.47 مليار دولار (بافتراض معدل تضخم بنسبة 3٪) بحلول عام 2024 عندما من المقرر الانتهاء من البناء.
وأضاف بوريجارد: "علاوة على ذلك ، غالبًا ما تكون المصادر الفلكية غير مشرقة جدًا في النظام البصري". "بينما يوجد عدد من تقنيات التثبيت الكلاسيكية للتعامل مع الأولى ، فإن الأخيرة تطرح مشكلة أساسية لكيفية تشغيل مصفوفات التلسكوب بشكل طبيعي. تؤدي التقنية القياسية لتسجيل الضوء محليًا في كل تلسكوب إلى الكثير من الضجيج للعمل مع مصادر الضوء الضعيفة. ونتيجة لذلك ، تعمل جميع صفائف التلسكوبات البصرية الحالية من خلال الجمع بين الضوء من التلسكوبات المختلفة مباشرة في محطة قياس واحدة. الثمن الذي يجب دفعه هو توهين الضوء في الإرسال إلى محطة القياس. تمثل هذه الخسارة قيودًا شديدة على إنشاء مصفوفات تلسكوب كبيرة جدًا في النظام البصري (يبلغ حجم الصفيفات الضوئية الحالية الحد الأقصى ~ 300 م) وستحد في النهاية من الدقة بمجرد وضع تقنيات التثبيت الفعالة. "
لهذا ، يقترح فريق جامعة هارفارد - بقيادة إميل خبيبولين ، وهو طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء في جامعة هارفارد - الاعتماد على النقل الكمي. في فيزياء الكم ، يصف النقل عن بعد العملية التي يتم فيها نقل خصائص الجسيمات من موقع إلى آخر عبر التشابك الكمي. هذا ، كما يشرح بوريغارد ، سيسمح بإنشاء الصور دون الخسائر التي تواجهها مقاييس التداخل العادية:
"إحدى الملاحظات الرئيسية هي أن التشابك ، وهو خاصية ميكانيكا الكم ، يسمح لنا بإرسال حالة كمية من موقع إلى آخر دون نقله ماديًا ، في عملية تسمى النقل الكمي. هنا ، يمكن نقل الضوء من التلسكوبات إلى محطة القياس عن بُعد ، وبذلك يتم التحايل على جميع خسائر الإرسال. ستسمح هذه التقنية من حيث المبدأ بمصفوفات ذات حجم تعسفي بافتراض التعامل مع تحديات أخرى مثل التثبيت ".
عند استخدامها من أجل التلسكوبات المدعومة بالكم ، ستكون الفكرة هي إنشاء تيار مستمر من أزواج متشابكة. في حين أن أحد الجسيمات المتزاوجة سيقيم عند التلسكوب ، ينتقل الآخر إلى مقياس التداخل المركزي. عندما يصل الفوتون من نجم بعيد ، سوف يتفاعل مع أحد هذا الزوج وسيتم نقله فورًا إلى مقياس التداخل لإنشاء صورة.
باستخدام هذه الطريقة ، يمكن إنشاء الصور مع الخسائر التي تتم مواجهتها مع مقاييس التداخل العادية. تم اقتراح الفكرة لأول مرة في عام 2011 من قبل Gottesman و Jennewein و Croke من جامعة Waterloo. في ذلك الوقت ، فهموا هم والباحثون الآخرون أن المفهوم سوف يحتاج إلى توليد زوج متشابك لكل فوتون وارد ، والذي يتم بترتيب تريليونات من الأزواج في الثانية.
كان هذا ببساطة غير ممكن باستخدام التكنولوجيا الحالية آنذاك. ولكن بفضل التطورات الأخيرة في الحوسبة الكمومية وتخزينها ، فقد يكون ذلك ممكنًا الآن. كما أشار Borregaard:
"[W]حدد الخطوط العريضة لكيفية ضغط الضوء في ذكريات كمية صغيرة تحفظ المعلومات الكمية. يمكن أن تتكون هذه الذكريات الكمومية من ذرات تتفاعل مع الضوء. لقد تم بالفعل عرض تقنيات نقل الحالة الكمية لنبضة ضوئية إلى ذرة عدة مرات في التجارب. نتيجة للضغط في الذاكرة ، نستخدم أزواجًا متشابكة أقل بكثير مقارنةً بالمخططات الخالية من الذاكرة مثل تلك التي كتبها Gottesman et al. على سبيل المثال ، بالنسبة لنجم بحجم 10 وعرض نطاق قياس 10 جيجا هرتز ، يتطلب مخططنا ~ 200 كيلو هرتز من معدل التشابك باستخدام ذاكرة 20 بت بدلاً من 10 جيجا هرتز من قبل. هذه المواصفات قابلة للتطبيق مع التكنولوجيا الحالية والنجوم الباهتة ستؤدي إلى توفير أكبر مع ذكريات أكبر قليلاً. "
يمكن أن تؤدي هذه الطريقة إلى بعض الفرص الجديدة تمامًا عندما يتعلق الأمر بالتصوير الفلكي. على سبيل المثال ، سيزيد بشكل كبير من دقة الصور ، وربما يجعل من الممكن للمصفوفات تحقيق دقة مساوية لتلك الموجودة في مرآة 30 كم. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يسمح لعلماء الفلك باكتشاف ودراسة الكواكب الخارجية باستخدام تقنية التصوير المباشر بدقة تصل إلى مستوى arsecond الدقيقة.
قال بوريجارد: "الرقم القياسي الحالي هو حوالي ملي ثانية قوسية". "ستسمح مثل هذه الزيادة في الدقة لعلماء الفلك بالوصول إلى عدد من الحدود الفلكية الجديدة التي تتراوح بين تحديد خصائص الأنظمة الكوكبية ودراسة cepheids والثنائيات المتفاعلة ... من المهم لمصممي التلسكوب الفلكي ، فإن مخططنا سيكون مناسبًا تمامًا للتنفيذ في الفضاء ، حيث يكون التثبيت أقل مشكلة. سيكون التلسكوب البصري الفضائي على مقياس 10 ^ 4 كيلومترات قويًا حقًا ".
في العقود القادمة ، من المقرر بناء أو نشر العديد من المراصد الفضائية من الجيل التالي. بالفعل ، من المتوقع أن تقدم هذه الأدوات دقة وقدرة أكبر بكثير. مع إضافة التكنولوجيا بمساعدة الكم ، قد تكون هذه المراصد قادرة على حل أسرار المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، ودراسة الكواكب خارج الشمس بتفاصيل مذهلة.
ظهرت دراسة الفريق "مصفوفات التلسكوب بمساعدة الكم" مؤخرًا على الإنترنت. بالإضافة إلى Khabiboulline و Borregaard ، شارك في تأليف الدراسة كريستيان دي جريف (زميل ما بعد الدكتوراه بجامعة هارفارد) وميخائيل لوكين - أستاذ الفيزياء بجامعة هارفارد ورئيس مجموعة Lukin في مختبر البصريات الكمومية بجامعة هارفارد.
