Os telescópios percorreram um longo caminho nos últimos séculos. Dos dispositivos relativamente modestos construídos por astrônomos como Galileo Galilei e Johannes Kepler, os telescópios evoluíram para se tornarem instrumentos massivos que exigem uma instalação inteira para abrigá-los e uma equipe e uma rede completas de computadores para executá-los. E nos próximos anos, serão construídos observatórios muito maiores que podem fazer ainda mais.
Infelizmente, essa tendência para instrumentos cada vez maiores tem muitos inconvenientes. Para iniciantes, observatórios cada vez maiores exigem espelhos cada vez maiores ou muitos telescópios trabalhando juntos - ambos são perspectivas caras. Felizmente, uma equipe do MIT propôs combinar interferometria com teletransporte quântico, o que poderia aumentar significativamente a resolução de matrizes sem depender de espelhos maiores.
Simplificando, a interferometria é um processo em que a luz é obtida por vários telescópios menores e depois combinada para reconstruir imagens do que eles observaram. Esse processo é usado por instalações como o Very Large Telescope Interferometer (VLTI) no Chile e o Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) na Califórnia.
O primeiro conta com quatro espelhos principais de 8,2 m (27 pés) e quatro telescópios auxiliares móveis de 1,8 m (5,9 pés) - o que lhe dá uma resolução equivalente a um espelho de 140 m (460 pés) - enquanto o último conta com seis metros de um metro telescópio, que fornece uma resolução equivalente a um espelho de 330 m (1083 pés). Em suma, a interferometria permite que as matrizes do telescópio produzam imagens com uma resolução mais alta do que seria possível de outra maneira.
Uma das desvantagens é que os fótons são inevitavelmente perdidos durante o processo de transmissão. Como resultado, matrizes como o VLTI e CHARA só podem ser usadas para visualizar estrelas brilhantes, e a criação de matrizes maiores para compensar isso mais uma vez levanta a questão dos custos. Como Johannes Borregaard - um pós-doutorado no Centro de Matemática da Teoria Quântica da Universidade de Copenhague (QMATH) e co-autor do artigo - disse à Space Magazine por e-mail:
“Um desafio da imagem astronômica é obter uma boa resolução. A resolução é uma medida de quão pequenas são as características que você pode imaginar e, em última análise, é definida pela razão entre o comprimento de onda da luz que você está coletando e o tamanho do seu equipamento (limite de Rayleigh). As matrizes de telescópio funcionam como um aparelho gigante e, quanto maior a matriz, melhor a resolução que você obtém. ”
Mas é claro, isso tem um custo muito alto. Por exemplo, o Telescópio Extremamente Grande, que está sendo construído no deserto de Atacama no Chile, será o maior telescópio óptico e de infravermelho próximo do mundo. Quando proposto pela primeira vez em 2012, o ESO indicou que o projeto custaria cerca de 1 bilhão de euros (US $ 1,12 bilhão) com base nos preços de 2012. Ajustado pela inflação, que chega a US $ 1,23 bilhão em 2018 e aproximadamente US $ 1,47 bilhão (assumindo uma taxa de inflação de 3%) até 2024, quando a construção está programada para ser concluída.
"Além disso, as fontes astronômicas geralmente não são muito brilhantes no regime óptico", acrescentou Borregaard. “Embora existam várias técnicas clássicas de estabilização para enfrentar a primeira, a segunda apresenta um problema fundamental de como as matrizes do telescópio são normalmente operadas. A técnica padrão de registrar localmente a luz em cada telescópio resulta em muito ruído para trabalhar com fontes de luz fracas. Como resultado, todas as matrizes atuais de telescópios ópticos funcionam combinando a luz de diferentes telescópios diretamente em uma única estação de medição. O preço a pagar é a atenuação da luz na transmissão para a estação de medição. Essa perda é uma limitação severa para a construção de arranjos de telescópios muito grandes no regime óptico (os arranjos ópticos atuais têm tamanhos de no máximo ~ 300 m) e acabarão limitando a resolução assim que técnicas eficazes de estabilização estiverem em vigor. ”
Para isso, a equipe de Harvard - liderada por Emil Khabiboulline, um estudante de graduação do Departamento de Física de Harvard - sugere confiar no teletransporte quântico. Na física quântica, o teletransporte descreve o processo em que as propriedades das partículas são transportadas de um local para outro via emaranhamento quântico. Isso, como explica Borregard, permitiria a criação de imagens sem as perdas encontradas nos interferômetros normais:
“Uma observação importante é que o entrelaçamento, uma propriedade da mecânica quântica, nos permite enviar um estado quântico de um local para outro sem transmiti-lo fisicamente, em um processo chamado teletransporte quântico. Aqui, a luz dos telescópios pode ser "teleportada" para a estação de medição, contornando assim toda a perda de transmissão. Essa técnica, em princípio, permitiria matrizes de tamanho arbitrário, assumindo que outros desafios, como a estabilização, sejam tratados. ”
Quando usada para o auxílio de telescópios quânticos, a idéia seria criar um fluxo constante de pares emaranhados. Enquanto uma das partículas emparelhadas residiria no telescópio, a outra viajaria para o interferômetro central. Quando um fóton chega de uma estrela distante, ele interage com um desses pares e é imediatamente teleportado para o interferômetro para criar uma imagem.
Usando esse método, as imagens podem ser criadas com as perdas encontradas nos interferômetros normais. A idéia foi sugerida pela primeira vez em 2011 por Gottesman, Jennewein e Croke da Universidade de Waterloo. Na época, eles e outros pesquisadores entendiam que o conceito precisaria gerar um par emaranhado para cada fóton recebido, da ordem de trilhões de pares por segundo.
Isso simplesmente não era possível usando a tecnologia atual; mas, graças aos desenvolvimentos recentes em computação e armazenamento quânticos, agora é possível. Como Borregaard indicou:
"[W]Descrevemos como a luz pode ser comprimida em pequenas memórias quânticas que preservam as informações quânticas. Tais memórias quânticas podem consistir em átomos que interagem com a luz. Técnicas para transferir o estado quântico de um pulso de luz para um átomo já foram demonstradas várias vezes em experimentos. Como resultado da compressão na memória, usamos significativamente menos pares emaranhados em comparação com esquemas sem memória, como o de Gottesman et al. Por exemplo, para uma estrela de magnitude 10 e largura de banda de medição de 10 GHz, nosso esquema requer ~ 200 kHz de taxa de emaranhamento usando uma memória de 20 qubit em vez dos 10 GHz anteriores. Tais especificações são viáveis com a tecnologia atual e estrelas mais fracas resultariam em economias ainda maiores com memórias apenas um pouco maiores. ”
Este método pode levar a algumas oportunidades inteiramente novas quando se trata de imagens astronômicas. Por um lado, aumentará drasticamente a resolução das imagens e talvez possibilite que os arrays atinjam resoluções equivalentes às de um espelho de 30 km. Além disso, poderia permitir que os astrônomos detectassem e estudassem exoplanetas usando a técnica de imagem direta com resoluções até o nível de microssegundo.
"O recorde atual é de cerca de milissegundos", disse Borregaard. “Esse aumento na resolução permitirá que os astrônomos acessem várias novas fronteiras astronômicas, que variam de características determinantes de sistemas planetários a estudo de cefeidas e binários em interação ... De interesse para os projetistas de telescópios astronômicos, nosso esquema seria adequado para implementação no espaço, onde a estabilização é menos problemática. Um telescópio óptico espacial na escala de 10 ^ 4 quilômetros seria muito poderoso, de fato. ”
Nas próximas décadas, muitos observatórios espaciais e terrestres da próxima geração deverão ser construídos ou implantados. Espera-se que esses instrumentos ofereçam uma resolução e capacidade significativamente maiores. Com a adição da tecnologia assistida quântica, esses observatórios podem até ser capazes de resolver os mistérios da matéria escura e da energia escura, e estudar planetas extra-solares com detalhes surpreendentes.
O estudo da equipe, "Quantum-Assisted Telescope Arrays", apareceu recentemente online. Além de Khabiboulline e Borregaard, o estudo foi co-escrito por Kristiaan De Greve (bolsista de pós-doutorado em Harvard) e Mikhail Lukin - professora de física de Harvard e chefe do grupo Lukin no laboratório de óptica quântica de Harvard.
