Teknologi kuantum baru dapat memungkinkan teleskop seukuran Bumi

Ada sebuah revolusi yang sedang berlangsung dalam astronomi. Bahkan, Anda dapat mengatakan bahwa ada banyak dari mereka. Dalam 10 tahun terakhir, studi tentang planet ekstrasurya telah berkembang pesat, astronomi gelombang gravitasi telah muncul sebagai bidang baru, dan gambar pertama lubang hitam supermasif (SMBH) telah diambil. Ini juga memajukan bidang terkait, interferometri, dengan alat yang sangat sensitif dan kemampuan untuk berbagi dan menggabungkan data dari observatorium di seluruh dunia. Secara khusus, ilmu interferometri fundamental yang sangat panjang (VLBI) membuka kemungkinan yang sama sekali baru.

Menurut sebuah studi baru-baru ini oleh para peneliti dari Australia dan Singapura, teknologi kuantum baru dapat meningkatkan VLBI optik. Ini dikenal sebagai Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), yang memungkinkan transmisi informasi kuantum tanpa kehilangan. Saat Anda mencetak ke file Koreksi Kesalahan Kuantum Teknik ini memungkinkan VLBI untuk diamati pada panjang gelombang yang sebelumnya tidak dapat diakses. Setelah dikombinasikan dengan instrumen generasi berikutnya, teknologi ini dapat memungkinkan studi yang lebih rinci tentang lubang hitam, planet ekstrasurya, tata surya, dan permukaan bintang yang jauh.

Penelitian ini dipimpin oleh Zixin Huang, seorang peneliti pascadoktoral di Center for Engineering Quantum Systems (EQuS) di Macquarie University di Sydney, Australia. Dia bergabung dengan Gavin Brennan, Profesor Fisika Teoretis di Departemen Teknik Elektro dan Komputer dan Pusat Teknologi Quantum di Universitas Nasional Singapura (NUS), dan Yingkai Uyang, Peneliti Senior di Pusat Teknologi Quantum. di NU.

Terus terang, teknologi interferometri terdiri dari menggabungkan cahaya dari beberapa teleskop untuk membuat gambar dari objek yang sulit dipecahkan. Interferometri fundamental ultra-panjang mengacu pada teknik khusus yang digunakan dalam astronomi radio di mana sinyal dari sumber radio astronomi (lubang hitam, quasar, pulsar, nebula pembentuk bintang, dll.) digabungkan untuk membuat gambar terperinci dari struktur dan aktivitasnya. Dalam beberapa tahun terakhir, VLBI telah menghasilkan gambar paling detail dari bintang yang mengorbit Sagitarrius A* (Sgr A*), SMBH di pusat galaksi kita (lihat di atas).

Ini juga memungkinkan para astronom bekerja sama dengan Event Horizon Telescope (EHT) untuk mengambil gambar pertama lubang hitam (M87*) dan Sgr A* itu sendiri. Tetapi seperti yang mereka tunjukkan dalam penelitian mereka, interferometri klasik masih terhambat oleh banyak hal Batas fisiologis, termasuk kehilangan informasi, kebisingan, dan fakta bahwa cahaya yang diperoleh umumnya bersifat kuantum (di mana foton terjerat). Dengan mengatasi keterbatasan ini, VLBI dapat digunakan untuk melakukan survei astronomi yang lebih akurat. Dr. Huang memberi tahu Universe Today melalui email:

“Platform pencitraan besar mutakhir saat ini yang beroperasi dalam rentang gelombang mikro spektrum elektromagnetik. Untuk mencapai interferometri optik, Anda memerlukan semua bagian interferometer agar stabil dalam kisaran sebagian kecil dari panjang gelombang cahaya. , cahaya dapat mengganggu. Sangat sulit untuk melakukan ini pada jarak Signifikan: sumber kebisingan dapat berasal dari perangkat itu sendiri, ekspansi dan kontraksi termal, getaran, dll.; selain itu, ada kerugian yang terkait dengan elemen optik.”

“Ide dari penelitian ini adalah untuk memungkinkan kita beralih ke frekuensi optik dari gelombang mikro; teknik ini berlaku sama untuk inframerah. Kami sebenarnya dapat melakukan interferometri gelombang mikro fundamental yang besar. Namun, tugas ini menjadi sangat sulit pada frekuensi optik, karena Bahkan perangkat elektronik tercepat pun tidak dapat secara langsung mengukur osilasi medan listrik pada frekuensi ini.”

Dr Huang dan rekan mengatakan kunci untuk mengatasi keterbatasan ini adalah penggunaan teknik komunikasi kuantum seperti jalur Raman adiabatik dirangsang. STIRAP terdiri dari menggunakan dua pulsa cahaya yang saling berhubungan untuk mentransfer informasi optik antara dua keadaan kuantum yang layak. Ketika diterapkan pada VLBI, kata Huang, itu akan memungkinkan transfer populasi yang efisien dan selektif antara keadaan kuantum tanpa mengalami masalah kebisingan atau kehilangan yang biasa.

Seperti yang mereka jelaskan dalam makalah mereka, “Mencitrakan bintang dengan koreksi kesalahan kuantum,” proses yang mereka bayangkan melibatkan penggabungan cahaya bintang secara koheren ke keadaan atom “gelap” yang tidak memancar. Langkah selanjutnya, kata Huang, adalah menghubungkan cahaya dengan koreksi kesalahan kuantum (QEC), sebuah teknologi yang digunakan dalam komputasi kuantum untuk melindungi Informasi kuantitatif dari kesalahan yang disebabkan oleh dekoherensi dan “kebisingan kuantum” lainnya. Tetapi seperti yang ditunjukkan Huang, teknik yang sama ini memungkinkan lebih banyak detail dan akurasi dalam interferometri:

“Untuk meniru interferometer optik besar, cahaya harus dikumpulkan dan diproses secara koheren, dan kami menyarankan menggunakan koreksi kesalahan kuantum untuk mengurangi kesalahan dari kehilangan dan kebisingan dalam prosesnya. Koreksi kesalahan kuantum adalah bidang yang berkembang pesat terutama berfokus pada memungkinkan komputasi kuantum jika kesalahan ada. Sehubungan dengan keterjeratan pra-distribusi, kita dapat melakukan proses yang mengekstrak informasi yang kita butuhkan dari cahaya bintang sambil menekan kebisingan.”

Untuk menguji teori mereka, tim melihat skenario di mana dua fasilitas (Alice dan Bob) yang dipisahkan oleh jarak jauh mengumpulkan cahaya astronomi. Masing-masing berbagi keterjeratan pra-distribusi dan berisi ‘memori kuantum’ di mana cahaya ditangkap, dan setiap terminal menyiapkan set data kuantum (qubit) sendiri dalam beberapa kode QEC. Status kuantum yang diterima kemudian dicetak ke kode QEC bersama oleh dekoder, yang melindungi data dari operasi bising berikutnya.

Pada tahap “encoding”, sinyal ditangkap dalam memori kuantum melalui teknologi STIRAP, yang memungkinkan cahaya yang masuk untuk digabungkan secara koheren menjadi keadaan atom non-radiatif. Kemampuan untuk menangkap cahaya dari sumber astronomi yang menafsirkan keadaan kuantum (dan menghilangkan kebisingan kuantum dan kehilangan informasi) akan menjadi game-changer dalam interferometri. Lebih jauh, peningkatan ini akan memiliki implikasi besar bagi bidang astronomi lain yang juga mengalami revolusi saat ini.

“Dengan beralih ke frekuensi optik, jaringan pencitraan kuantum akan meningkatkan resolusi pencitraan tiga sampai lima kali lipat,” kata Huang. “Akan cukup kuat untuk menggambarkan planet kecil di sekitar bintang terdekat, detail tata surya, kinetika permukaan bintang, cakram akresi, dan mungkin detail tentang cakrawala peristiwa lubang hitam – dan tidak ada proyek yang direncanakan saat ini yang dapat menyelesaikannya.”

Dalam waktu dekat, James Webb Space Telescope (JWST) akan menggunakan seperangkat instrumen pencitraan inframerah canggih untuk mengkarakterisasi atmosfer planet ekstrasurya yang belum pernah ada sebelumnya. Hal yang sama berlaku untuk observatorium berbasis darat seperti Very Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), dan Thirty Meter Telescope (TMT). Di antara cermin utama besar, optik adaptif, vertebra koronal, dan spektrometer, observatorium ini akan memungkinkan studi pencitraan langsung dari planet ekstrasurya, menghasilkan informasi berharga tentang permukaan dan atmosfernya.

Dengan memanfaatkan teknologi kuantum baru dan mengintegrasikannya dengan VLBI, observatorium akan memiliki cara lain untuk menangkap gambar dari beberapa objek yang paling tidak dapat diakses dan sulit dilihat di alam semesta kita.