Jauna kvantu tehnika varētu mainīt to, kā mēs pētām Visumu

(sakkmesterke/iStock/Getty Images)

Astronomijā notiek revolūcija. Patiesībā jūs varētu teikt, ka ir vairāki. Pēdējo desmit gadu laikā eksoplanetu pētījumi ir ievērojami progresējuši, gravitācijas vilnis astronomija ir parādījusies kā jauna joma, un pirmie attēli supermassive melnie caurumi (SMBH) ir notvertas.

Saistītā joma, interferometrija, ir arī neticami attīstījusies, pateicoties ļoti jutīgiem instrumentiem un iespējai koplietot un apvienot datus no observatorijām visā pasaulē. Jo īpaši zinātne par ļoti gara sākotnējā interferometrija (VLBI) paver pilnīgi jaunas iespēju sfēras.

Saskaņā ar neseno Austrālijas un Singapūras pētnieku pētījumu, jauna kvantu tehnika varētu uzlabot optisko VLBI. Tas ir pazīstams kā Stimulēta Ramana adiabātiskā pāreja (STIRAP), kas ļauj pārsūtīt kvantu informāciju bez zaudējumiem.



Iespiežot kvantu kļūdu korekcijas kodā, šī metode varētu ļaut veikt VLBI novērojumus iepriekš nepieejamos viļņu garumos. Kad šī metode ir integrēta ar nākamās paaudzes instrumentiem, tā varētu ļaut veikt detalizētākus melno caurumu, eksoplanetu, Saules sistēmas un tālu zvaigžņu virsmu pētījumus.

Pētījumu vadīja Zixin Huang, pēcdoktorantūras pētnieks no Inženierijas kvantu sistēmu centrs (EQuS) Macquarie universitātē Sidnejā, Austrālijā. Viņai pievienojās Gevins Brennans, teorētiskās fizikas profesors Elektrotehnikas un datortehnikas katedrā un Kvantu tehnoloģiju centrā. Singapūras Nacionālā universitāte (NUS) un Yingkai Ouyang, vecākais pētnieks NUS Kvantu tehnoloģiju centrā.

Skaidri sakot, interferometrija tehnika sastāv no dažādu teleskopu gaismas apvienošanas, lai radītu objekta attēlus, kurus citādi būtu pārāk grūti atrisināt.

Ļoti gara bāzes līnijas interferometrija attiecas uz īpašu paņēmienu, ko izmanto radioastronomijā, kur signāli no astronomiska radio avota (melnie caurumi, kvazāri, pulsāri , zvaigžņu veidojošie miglāji utt.) tiek apvienoti, lai izveidotu detalizētus attēlus par to struktūru un darbību.

Pēdējos gados VLBI ir devis visdetalizētākos attēlus zvaigznes, kas riņķo ap Strēlnieku A* (Sgr A*), SMBH mūsu galaktikas centrā. Tas arī ļāva astronomiem ar Notikumu horizonta teleskops (EHT) Sadarbība, lai attēlotu pirmais melnā cauruma attēls (M87*) un Sgr A* pati par sevi!

Bet, kā viņi norādīja savā pētījumā, klasisko interferometriju joprojām kavē vairāki fiziski ierobežojumi, tostarp informācijas zudums, troksnis un fakts, ka iegūtā gaisma parasti ir kvantu dabā (kur fotoni ir sapinušies). Pievēršoties šiem ierobežojumiem, VLBI varētu izmantot daudz smalkākiem astronomiskiem pētījumiem.

Dr. Huangs izdevumam Universe Today pa e-pastu sacīja: 'Pašreizējās modernās lielās bāzes attēlveidošanas sistēmas darbojas elektromagnētiskā spektra mikroviļņu joslā. Lai realizētu optisko interferometriju, visām interferometra daļām jābūt stabilām līdz gaismas viļņa garuma daļai, lai gaisma varētu traucēt.

To ir ļoti grūti izdarīt lielos attālumos: trokšņa avoti var rasties no paša instrumenta, termiskās izplešanās un saraušanās, vibrācijas utt.; un papildus tam ir zaudējumi, kas saistīti ar optiskajiem elementiem.

'Šīs izpētes virziena ideja ir ļaut mums pāriet uz optiskajām frekvencēm no mikroviļņiem; šīs metodes vienlīdz attiecas uz infrasarkano starojumu. Mēs jau varam veikt lielas bāzes interferometriju mikroviļņu krāsnī. Tomēr šis uzdevums kļūst ļoti sarežģīts optiskajās frekvencēs, jo pat ātrākā elektronika nevar tieši izmērīt elektriskā lauka svārstības šajās frekvencēs.

Dr. Huana un viņas kolēģi saka, ka galvenais, lai pārvarētu šos ierobežojumus, ir izmantot kvantu komunikācijas metodes, piemēram, Stimulated Raman Adiabatic Passage. STIRAP sastāv no divu koherentu gaismas impulsu izmantošanas, lai pārsūtītu optisko informāciju starp diviem piemērojamiem kvantu stāvokļiem.

Lietojot VLBI, sacīja Huangs, tas ļaus veikt efektīvu un selektīvu iedzīvotāju pārnešanu starp kvantu stāvokļiem, neciešot no parastajām trokšņa vai zuduma problēmām.

Kā viņi apraksta savā dokumentā (' Zvaigžņu attēlveidošana ar kvantu kļūdu korekciju '), process, ko viņi paredz, ietvertu saskaņotu zvaigžņu gaismas savienošanu ar 'tumšajiem' atomu stāvokļiem, kas neizstaro.

Nākamais solis, sacīja Huangs, ir savienot gaismu ar kvantu kļūdu korekciju (QEC), ko izmanto kvantu skaitļošana lai aizsargātu kvantu informāciju no kļūdām dekoherences un cita 'kvantu trokšņa' dēļ.

Bet, kā norāda Huangs, šī pati tehnika varētu ļaut veikt detalizētāku un precīzāku interferometriju:

'Lai atdarinātu lielu optisko interferometru, gaisma ir jāsavāc un jāapstrādā saskaņoti, un mēs ierosinām izmantot kvantu kļūdu korekciju, lai mazinātu kļūdas, ko izraisa zudumi un troksnis šajā procesā.

'Kvantu kļūdu korekcija ir strauji attīstās joma, kas galvenokārt vērsta uz mērogojamu kvantu skaitļošanas iespējošanu kļūdu klātbūtnē. Kombinācijā ar iepriekš izplatīto sapīšanās , mēs varam veikt darbības, kas no zvaigžņu gaismas iegūst nepieciešamo informāciju, vienlaikus slāpējot troksni.

Lai pārbaudītu savu teoriju, komanda izskatīja scenāriju, kurā divas iekārtas (Alise un Bobs), kas atdalītas lielos attālumos, savāc astronomisko gaismu.

Katrs dalās ar iepriekš sadalītu sapinšanos un satur “kvantu atmiņas”, kurās tiek uztverta gaisma, un katrs sagatavo savu kvantu datu (kubitu) kopu kādā QEC kodā. Pēc tam saņemtie kvantu stāvokļi tiek iespiesti koplietotā QEC kodā ar dekodētāju, kas aizsargā datus no turpmākām trokšņainām darbībām.

'Kodētāja' stadijā signāls tiek uztverts kvantu atmiņās, izmantojot STIRAP paņēmienu, kas ļauj ienākošo gaismu saskaņoti savienot atoma neizstarojošā stāvoklī.

Spēja uztvert gaismu no astronomiskiem avotiem, kas ņem vērā kvantu stāvokļus (un novērš kvantu troksni un informācijas zudumus), būtu interferometrijas spēles mainītājs. Turklāt šiem uzlabojumiem būtu būtiska ietekme uz citām astronomijas jomām, kuras arī mūsdienās tiek mainītas.

'Pārvietojoties uz optiskajām frekvencēm, šāds kvantu attēlveidošanas tīkls uzlabos attēlveidošanas izšķirtspēju par trim līdz piecām kārtām,' sacīja Huangs.

'Tas būtu pietiekami jaudīgs, lai attēlotu mazas planētas ap tuvējām zvaigznēm, Saules sistēmu detaļas, zvaigžņu virsmu kinemātiku, akrecijas diskus un, iespējams, detaļas ap melno caurumu notikumu horizontiem, no kuriem neviens nevar atrisināt pašlaik plānotos projektus.'

Tuvākajā nākotnē, Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST) izmantos savu uzlaboto infrasarkano staru attēlveidošanas instrumentu komplektu, lai raksturotu eksoplanetu atmosfēru kā vēl nekad. Tas pats attiecas uz uz zemes izvietotām observatorijām, piemēram, Īpaši liels teleskops (ELT), Milzu Magelāna teleskops (GMT) un Trīsdesmit metru teleskops (TMT).

Starp lielajiem primārajiem spoguļiem, adaptīvo optiku, koronagrāfiem un spektrometriem šīs observatorijas ļaus veikt tiešus eksoplanetu attēlveidošanas pētījumus, sniedzot vērtīgu informāciju par to virsmām un atmosfēru.

Izmantojot jauno kvantu metožu priekšrocības un integrējot tās ar VLBI, observatorijām būs vēl viens veids, kā uzņemt attēlus no dažiem visnepieejamākajiem un grūtāk redzamajiem objektiem mūsu Visumā. Noslēpumi, ko tas varētu atklāt, noteikti būs (apsolu pēdējo reizi!) revolucionāri!

Šo rakstu sākotnēji publicēja Visums šodien . Lasīt oriģināls raksts .

Populārākas Kategorijas: Dabu , Veselība , Fizika , Cilvēkiem , Viedoklis , Vidi , Tech , Neklasificēts , Sabiedrību , Daba ,

Par Mums

Neatkarīgu, Pārbaudītu Faktu Publicēšana Par Veselību, Telpu, Dabu, Tehnoloģijām Un Vidi.