กล้องโทรทรรศน์มาไกลในไม่กี่ศตวรรษที่ผ่านมา จากอุปกรณ์ที่ค่อนข้างเรียบง่ายที่สร้างขึ้นโดยนักดาราศาสตร์อย่างกาลิเลโอกาลิเลอีและโยฮันเนสเคปเลอร์กล้องโทรทรรศน์ได้กลายมาเป็นเครื่องมือขนาดใหญ่ที่ต้องการความสะดวกทั้งหมดในการสร้างบ้านและทีมงานและเครือข่ายคอมพิวเตอร์ และในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าจะมีการสร้างหอสังเกตการณ์ขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งสามารถทำได้มากกว่านี้
น่าเสียดายที่เทรนด์นี้มีต่อตราสารที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นมีข้อเสียมากมาย สำหรับผู้เริ่มต้นหอสังเกตการณ์ที่ใหญ่ขึ้นต้องใช้กระจกที่ใหญ่ขึ้นหรือกล้องโทรทรรศน์หลายตัวทำงานร่วมกันซึ่งทั้งสองอย่างนี้เป็นโอกาสที่มีราคาแพง โชคดีที่ทีมจาก MIT ได้นำเสนอการผสมผสานอินเตอร์เฟอโรเมทกับการควอนตัม - เทเลพอร์เทชั่นซึ่งสามารถเพิ่มความละเอียดของอาเรย์โดยไม่ต้องพึ่งพากระจกที่มีขนาดใหญ่ขึ้น
เมื่อต้องการกล่าวง่ายๆ Interferometry เป็นกระบวนการที่แสงจะได้รับจากกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กหลายตัวและรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างภาพของสิ่งที่พวกเขาสังเกตเห็น กระบวนการนี้ใช้โดยสิ่งอำนวยความสะดวกเช่นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากอินเตอร์เฟอเรเตอร์ (VLTI) ในชิลีและศูนย์ดาราศาสตร์ดาราศาสตร์ความคมชัดสูง (CHARA) ในแคลิฟอร์เนีย
อดีตอาศัยกระจกหลักสี่ตัว 8.2 ม. (27 ฟุต) และกล้องโทรทรรศน์เสริมสี่ตัว 1.8 ม. (5.9 ฟุต) ซึ่งให้ความละเอียดเทียบเท่ากับกระจกมองหลัง 140 ม. (460 ฟุต) - ในขณะที่หลังอาศัยหกเมตรหนึ่งเมตร กล้องโทรทรรศน์ซึ่งให้ความละเอียดเทียบเท่ากับกระจก 330-m (1083 ft) กล่าวโดยสรุปอินเตอร์เฟอโรเมทช่วยให้อาร์เรย์ของกล้องโทรทรรศน์สามารถสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าที่เป็นไปได้
หนึ่งในข้อเสียคือโฟตอนหายไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในระหว่างกระบวนการส่ง เป็นผลให้อาร์เรย์เช่น VLTI และ CHARA สามารถใช้เพื่อดูดาวที่สว่างและสร้างอาร์เรย์ขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อชดเชยสิ่งนี้อีกครั้งทำให้เกิดปัญหาเรื่องค่าใช้จ่าย ในฐานะที่เป็น Johannes Borregaard - เพื่อนหลังปริญญาเอกที่ศูนย์คณิตศาสตร์ของควอนตัมทฤษฎี (QMATH) ของมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนและผู้เขียนร่วมในบทความ - บอก Space Magazine ทางอีเมล:
“ หนึ่งในความท้าทายของการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์คือการได้รับความละเอียดที่ดี ความละเอียดคือการวัดขนาดของคุณสมบัติที่คุณสามารถถ่ายภาพและในที่สุดจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนระหว่างความยาวคลื่นของแสงที่คุณกำลังรวบรวมและขนาดของอุปกรณ์ของคุณ (ขีด จำกัด Rayleigh) กล้องโทรทรรศน์เรย์เรย์ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ยักษ์ตัวหนึ่งและยิ่งทำให้อาเรย์นั้นมีความละเอียดมากขึ้นเท่าไหร่
แต่แน่นอนว่าสิ่งนี้มาในราคาที่สูงมาก ตัวอย่างเช่นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่พิเศษซึ่งกำลังถูกสร้างขึ้นในทะเลทรายอาตากามาในชิลีจะเป็นกล้องโทรทรรศน์แสงและอินฟราเรดที่ใหญ่ที่สุดในโลก เมื่อเสนอครั้งแรกในปี 2012 ESO ระบุว่าโครงการจะมีราคาประมาณ 1 พันล้านยูโร (1.12 พันล้านเหรียญสหรัฐ) ตามราคาของปี 2555 ปรับสำหรับเงินเฟ้อที่มีมูลค่าถึง 1.23 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2561 และประมาณ 1.47 พันล้านเหรียญสหรัฐ (สมมุติว่าอัตราเงินเฟ้ออยู่ที่ 3%) ภายในปี 2567 เมื่อมีกำหนดก่อสร้างแล้วเสร็จ
“ นอกจากนี้แหล่งทางดาราศาสตร์มักจะไม่สว่างมากในระบบการมองเห็น” Borregaard กล่าวเสริม “ ในขณะที่มีเทคนิคการรักษาเสถียรภาพแบบคลาสสิกจำนวนมากเพื่อจัดการกับอดีตแต่ทว่าหลังเป็นปัญหาพื้นฐานสำหรับวิธีการใช้งานอาร์เรย์ของกล้องโทรทรรศน์ เทคนิคมาตรฐานของการบันทึกแสงในแต่ละพื้นที่นั้นส่งผลให้เกิดเสียงรบกวนมากเกินไปในการทำงานกับแหล่งกำเนิดแสงที่อ่อน เป็นผลให้อาร์เรย์กล้องโทรทรรศน์ออปติคัลปัจจุบันทั้งหมดทำงานโดยการรวมแสงจากกล้องโทรทรรศน์ต่าง ๆ โดยตรงที่สถานีตรวจวัดเดียว ราคาที่ต้องชำระคือการลดทอนของแสงในการส่งไปยังสถานีตรวจวัด การสูญเสียนี้เป็นข้อ จำกัด ที่รุนแรงสำหรับการสร้างอาร์เรย์กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากในระบบการฉายแบบออปติคัล (อาร์เรย์ออปติคัลปัจจุบันมีขนาดสูงสุด ~ 300 เมตร) และในที่สุดจะ จำกัด การแก้ปัญหาเมื่อเทคนิคการรักษาเสถียรภาพมีประสิทธิภาพ”
ด้วยเหตุนี้ทีมฮาร์วาร์ดนำโดยเอมิลคาบิบูลลีนนักศึกษาปริญญาโทที่ภาควิชาฟิสิกส์ของฮาร์วาร์ดแนะนำให้ใช้การเคลื่อนย้ายควอนตัมแบบควอนตัม ในฟิสิกส์ควอนตัม teleportation อธิบายกระบวนการที่มีการขนส่งคุณสมบัติของอนุภาคจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งผ่านควอนตัมพัวพัน สิ่งนี้ตามที่ Borregard อธิบายจะอนุญาตให้สร้างภาพได้โดยไม่เกิดความสูญเสียที่เกิดขึ้นกับอินเทอร์มอมิเตอร์
“ การสังเกตที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการพัวพันซึ่งเป็นคุณสมบัติของกลศาสตร์ควอนตัมทำให้เราสามารถส่งสถานะควอนตัมจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งโดยไม่ส่งผ่านร่างกายในกระบวนการที่เรียกว่าควอนตัมเทเลพอร์ต ที่นี่แสงจากกล้องโทรทรรศน์สามารถ“ เคลื่อนย้าย” ไปยังสถานีตรวจวัดได้เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียการส่งสัญญาณทั้งหมด โดยหลักการแล้วเทคนิคนี้จะช่วยให้สามารถใช้อาร์เรย์ที่มีขนาดตามอำเภอใจได้โดยสมมติว่าความท้าทายอื่น ๆ เช่นการรักษาเสถียรภาพนั้นมีการจัดการ”
เมื่อใช้เพื่อประโยชน์ของกล้องโทรทรรศน์ที่มีควอนตัมช่วยความคิดก็คือการสร้างกระแสคู่คงที่ที่ยุ่งเหยิง ในขณะที่หนึ่งในอนุภาคที่จับคู่จะอยู่ที่กล้องโทรทรรศน์อีกตัวจะเดินทางไปยังเครื่องวัด Interferometer กลาง เมื่อโฟตอนมาจากดาวฤกษ์ไกลโพ้นมันจะโต้ตอบกับหนึ่งในคู่นี้และถูกเคลื่อนย้ายไปยังเครื่องอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ทันทีเพื่อสร้างภาพ
การใช้วิธีการนี้สามารถสร้างภาพด้วยการสูญเสียที่พบกับอินเทอร์เฟอเรเตอร์แบบปกติ แนวคิดนี้ได้รับการแนะนำครั้งแรกในปี 2554 โดย Gottesman, Jennewein และ Croke จาก University of Waterloo ในเวลานั้นพวกเขาและนักวิจัยคนอื่น ๆ เข้าใจว่าแนวคิดจะต้องสร้างคู่ที่ยุ่งเหยิงสำหรับโฟตอนที่เข้ามาแต่ละอันซึ่งอยู่ในลำดับของคู่ล้านล้านต่อวินาที
นี่เป็นไปไม่ได้เลยที่จะใช้เทคโนโลยีปัจจุบัน แต่ด้วยการพัฒนาล่าสุดในการคำนวณควอนตัมและการเก็บรักษาตอนนี้อาจเป็นไปได้ ตามที่ Borregaard ระบุ:
“[W]e แสดงให้เห็นว่าแสงสามารถถูกบีบอัดในความทรงจำควอนตัมขนาดเล็กที่เก็บรักษาข้อมูลควอนตัม ความทรงจำควอนตัมเช่นนี้อาจประกอบด้วยอะตอมที่มีปฏิกิริยากับแสง เทคนิคการถ่ายโอนสถานะควอนตัมของพัลส์แสงเข้าสู่อะตอมได้รับการแสดงหลายครั้งในการทดลอง เป็นผลมาจากการบีบอัดลงในหน่วยความจำเราใช้คู่พันกันยุ่งมากน้อยลงเมื่อเทียบกับแผนการไม่มีหน่วยความจำเช่นหนึ่งโดย Gottesman et al ตัวอย่างเช่นสำหรับดาวขนาด 10 และแบนด์วิดท์การวัด 10 GHz แบบแผนของเราต้องการอัตราการพัวพัน ~ 200 kHz โดยใช้หน่วยความจำ 20-qubit แทนหน่วยความจำ 10 GHz มาก่อน ข้อกำหนดดังกล่าวเป็นไปได้ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันและดาวฤกษ์ที่ซีดกว่าจะส่งผลให้ประหยัดได้มากขึ้นด้วยความทรงจำที่ใหญ่กว่าเล็กน้อยเท่านั้น”
วิธีการนี้อาจนำไปสู่โอกาสใหม่ทั้งหมดเมื่อมาถึงการถ่ายภาพทางดาราศาสตร์ สำหรับหนึ่งมันจะเพิ่มความละเอียดของภาพอย่างมากและอาจทำให้อาร์เรย์สามารถบรรลุความละเอียดที่เทียบเท่ากับกระจก 30 กม. นอกจากนี้ยังช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับและศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบได้โดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพโดยตรงที่มีความละเอียดจนถึงระดับไมโครวินาที
“ บันทึกปัจจุบันอยู่ที่ประมาณล้านมิลลิวินาที” Borregaard กล่าว “ การเพิ่มความละเอียดดังกล่าวจะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถเข้าถึงขอบเขตทางดาราศาสตร์ที่แปลกใหม่ตั้งแต่การกำหนดลักษณะของระบบดาวเคราะห์ไปจนถึงการศึกษาเซเฟอิดส์และการมีปฏิสัมพันธ์กับไบนารี่…ที่น่าสนใจสำหรับนักออกแบบกล้องโทรทรรศน์ดาราศาสตร์ ในกรณีที่ความเสถียรน้อยกว่าปัญหา กล้องโทรทรรศน์ออปติคอลอวกาศซึ่งมีขนาด 10 ^ 4 กิโลเมตรนั้นทรงพลังมากจริงๆ”
ในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้าพื้นที่รุ่นต่อไปและห้องสังเกตการณ์ภาคพื้นดินจำนวนมากจะถูกสร้างหรือติดตั้ง เครื่องมือเหล่านี้คาดว่าจะให้ความละเอียดและความสามารถที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ด้วยการเพิ่มเทคโนโลยีที่ช่วยควอนตัมหอสังเกตการณ์เหล่านี้อาจสามารถแก้ไขความลึกลับของสสารมืดและพลังงานมืดและศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะในรายละเอียดที่น่าทึ่ง
การศึกษาของทีม“ อาร์เรย์กล้องโทรทรรศน์ควอนตัมช่วย” เพิ่งปรากฏออนไลน์ นอกจาก Khabiboulline และ Borregaard แล้วการศึกษายังได้รับการประพันธ์โดย Kristiaan De Greve (เพื่อนหลังปริญญาเอกของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด) และ Mikhail Lukin ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของ Harvard และหัวหน้ากลุ่ม Lukin ที่ห้องทดลองควอนตัมควอนตัมของฮาร์วาร์ด
