Квантовый эксперимент с двумя щелями даёт надежду на создание телескопа размером с Землю +22


AliExpress RU&CIS

В новом предложении квантовые жёсткие диски будет использоваться для объединения световых потоков от нескольких телескопов, позволяя астрономам создавать оптические изображения с невероятно высоким разрешением.

В эксперименте с двумя щелями фотон проходит сразу через обе щели и интерферирует с собой на другой стороне. Волна представляет возможные положения фотона; белый цвет указывает на места его наиболее вероятного обнаружения. Астрономы надеются представить оптические телескопы как отдельные щели. Представьте, что вы можете видеть поверхность похожей на Землю планеты, вращающейся вокруг другой звезды, или наблюдать, как звезда разрывается чёрной дырой.


Такие точные наблюдения в настоящее время невозможны. Однако учёные предлагают способы квантово-механического связывания оптических телескопов по всему миру, чтобы видеть космос с умопомрачительным уровнем детализации.

Хитрость заключается в переносе хрупких фотонов между телескопами так, чтобы сигналы можно было комбинировать или «интерферировать» в целях создания гораздо более чётких изображений. Исследователи уже много лет знают, что такой вид интерферометрии возможен при наличии футуристической сети устройств телепортации, называемой квантовым Интернетом. Однако, пока квантовый Интернет — это далёкая мечта, в новом предложении излагается схема реализации оптической интерферометрии с использованием квантовых запоминающих устройств, которые сейчас разрабатываются.

Этот подход представлял бы собой следующий этап одержимости астрономов размером. Более широкие зеркала создают более чёткие изображения, поэтому астрономы постоянно проектируют всё более крупные телескопы и раскрывают всё больше деталей космоса. Сегодня они строят оптический телескоп с зеркалом почти 40 метров в ширину, что в 16 раз превышает ширину (и, следовательно, разрешение) космического телескопа Хаббла. Однако возможностям роста зеркал есть предел.

«Мы не собираемся строить 100-метровый телескоп с одной апертурой. Это безумие! — восклицает Лиза Прато, астроном из обсерватории Лоуэлла в Аризоне. — Так каково же будущее? Будущее — за интерферометрией».

Телескоп размером с Землю

Радиоастрономы десятилетиями занимались интерферометрией. Первое в истории изображение чёрной дыры, опубликованное в 2019 году, было получено путём синхронизации сигналов, поступивших на восемь радиотелескопов, разбросанных по всему миру. В совокупности телескопы обладали разрешающей способностью одного телескопа с зеркалом шириной, равной расстоянию между ними, т. е. эффективный телескоп был размером с Землю.

Чтобы сделать этот снимок, радиоволны, поступающие на каждый телескоп, были преобразованы в данные с точной разметкой временными метками и сохранены. Позднее эти данные были сшиты. Эта процедура относительно проста в радиоастрономии, так как радиоизлучающие объекты, как правило, чрезвычайно яркие, а радиоволны относительно большие, и поэтому их легко выровнять.

Оптическая интерферометрия гораздо сложнее. Длина видимых волн измеряется сотнями нанометров, что оставляет гораздо меньше пространства для ошибок при накладывании волн в зависимости от времени их поступления в разные телескопы. Более того, оптические телескопы строят изображения фотон за фотоном из очень тусклых источников. Такие зернистые сигналы невозможно сохранить на обычных жёстких дисках без потери информации, жизненно важной для интерферометрии.

Астрономам удалось напрямую связать близлежащие оптические телескопы оптоволоконными кабелями — подход, который в 2019 году привёл к первому прямому наблюдению экзопланеты. «Однако подключение телескопов на расстоянии более 1 километра или около того чрезвычайно громоздко и дорого, — рассказывает Тео тен Бруммелаар, руководитель CHARA Array, оптического интерферометрического массива в Калифорнии. — Если бы существовал способ регистрации фотонных событий в оптическом телескопе с помощью какого-то квантового устройства, это было бы большим благом для науки».

Щели Юнга

Джосс Бленд-Хоторн и Джон Бартоломей из Университета Сиднея и Мэтью Селларс из Австралийского национального университета недавно предложили схему реализации оптической интерферометрии с использованием квантовых жёстких дисков.

Принцип, лежащий в основе нового предложения, восходит к началу 1800-х годов, до квантовой революции, когда Томас Юнг разработал эксперимент, чтобы проверить, состоит ли свет из частиц или волн. Юнг пропустил свет через две близко расположенные, отдельные щели и увидел, что на экране позади образовался узор из регулярных ярких полос. Он утверждал, что эта интерференционная картина возникла из-за того, что световые волны из каждой щели гасят друг друга и складываются в разных местах.

А потом всё стало ещё более странным. Квантовые физики обнаружили, что интерференционная картина для двух щелей сохраняется, даже если отправлять фотоны к щелям по одному. Точка за точкой они постепенно создают на экране те же самые светлые и тёмные полосы. Однако, если кто-нибудь проследит, через какую щель проходит каждый фотон, интерференционная картина исчезнет. Невозмущённые частицы ведут себя только как волны.

Теперь представьте, что вместо двух щелей у вас два телескопа. Когда один фотон из космоса прибывает на Землю, он может попасть в любой телескоп. Без измерения — как в случае с двойными щелями Юнга — фотон представляет собой волну, которая входит в обе щели.

Бленд-Хоторн, Бартоломью и Селларс предлагают подключить к каждому телескопу квантовый жёсткий диск, который способен записывать и хранить волноподобные состояния входящих фотонов, не нарушая их. Через некоторое время жёсткие диски переносятся в одно место, где сигналы накладываются друг на друга, чтобы создать изображение с невероятно высоким разрешением.

Квантовая память

Чтобы это сработало, квантовые жёсткие диски должны хранить много информации в течение длительного периода. Один из поворотных моментов наступил в 2015 году, когда Бартоломью, Селларс и коллеги разработали запоминающее устройство из ядер европия, встроенных в кристалл, которое могло хранить хрупкие квантовые состояния в течение шести часов с возможностью продления этого срока до нескольких дней.

Затем, в начале этого года, команда из Университета науки и техники Китая в Хэфэе продемонстрировала возможность сохранения данных о фотонах в аналогичных устройствах с последующим считыванием.

«Очень интересно и удивительно видеть, что методы квантовой информации могут быть полезны для астрономии», — сказал Цзун-Цюань Чжоу, который был соавтором недавно опубликованной статьи. Чжоу описывает мир, в котором высокоскоростные поезда или вертолёты быстро перемещают квантовые жёсткие диски между далёкими телескопами. Однако ещё предстоит выяснить, могут ли эти устройства работать за пределами лабораторий.

Бартоломью уверен, что жёсткие диски можно защитить от случайных электрических и магнитных полей, нарушающих квантовые состояния. Однако им также придётся выдерживать перепады давления и ускорение. Исследователи также работают над созданием жёстких дисков, которые способны хранить фотоны с различными длинами волн — это необходимо для захвата изображений космоса.

Не все думают, что это заработает. «В долгосрочной перспективе, если эти технологии будут реализованы на практике, им потребуется квантовая сеть», — рассуждает Михаил Лукин, специалист по квантовой оптике в Гарвардском университете. Вместо физической транспортировки квантовых жёстких дисков Лукин предложил схему, которая будет опираться на квантовый Интернет — сеть устройств, называемых квантовыми ретрансляторами, которые телепортируют фотоны между площадками, не нарушая их состояния.

Бартоломью возражает, говоря: «У нас есть веские причины для оптимизма в отношении квантовых жёстких дисков. Я думаю, что в течение 5–10 лет мы сможем увидеть предварительные эксперименты, в которых фактически начнём наблюдать реальные [астрономические] источники». Напротив, создание квантового Интернета, по словам Бленда-Хоторна, «от реальности отделяют десятилетия».

В области физики необходим всесторонний анализ данных, поступающих не только с телескопов, но и с датчиков для отслеживания экспериментов. Анализ больших массивов данных также востребован бизнесом. Если эта сфера вам интересна, вы можете обратить внимание на профессию Data Analyst — мы поможем прокачаться занятому специалисту или освоить её с нуля.

Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:

Другие профессии и курсы




Комментарии (11):

  1. click0
    /#23040330 / -1

    Профессиональная деформация, когда воспринимаешь жёсткие дискитолько как HDD…

  2. AN3333
    /#23040484

    Звучит фантастически.
    Столь фантастически что правда ли это? Есть тут физики? Поясните.

    • Oxoron
      /#23040948

      Никто не знает точно. Область молодая. Принципиально это возможно. Возможно ли практически — узнаем лет через 20.

      Проблема интересна не только квантовыми эффектами в физике. В проблеме еще есть политическая, географическая, инженерная и информационная составляющие.

      Допустим, вы сделали устройство, позволяющее «консервировать» волны. Окей, эти устройства должны находиться на разных концах земли, так что вам придется добавить источник очень точного хронометража.

      Окей, добавили хронометраж. Теперь нужно отправить эти устройства на разные концы земли. Мало того, что они дорогие, так еще и время спецов далеко не бесплатное. И везти их надо аккуратно. И место для «съемки» нужно оборудовать.

      Допустим, решили и эти проблемы. Одна обсерватория в Чили, другая в Китае. Надо договариваться, возможно — на уровне гос. органов.

      Скорее всего, вам захочется сделать несколько «снимков», чтобы «усреднить» результаты. Вместо одной «камеры» нужно послать набор, а это плюс к организационной сложности.

      Окей, вы доставили оборудование на место. Подготовились к съемке. Охладили шампанское. Сделали «кадр». Вот тут начинается физика. Теперь обе «камеры» нужно доставить в одно место. Точнее, данные с этих камер. Тут два варианта. Первый вариант: физическая транспортировка. Текущие «камеры» держат «запись» несколько дней, в лабораторных условиях. В принципе, продлить время хранения можно. Второй вариант: квантовая сеть. Представьте, во сколько встанет проложить кабель между Чили и Китаем. Или представьте, насколько тяжело будет передать данные по лучу. Короче, можно, но дорого.

      Хорошо, как-то мы доставили данные в одно место. Теперь их нужно правильно интерферировать. Грубо говоря, одновременно выпустить волны с двух «камер» на одну поверхность. Вы себе представляете смысл слова «одновременно» в квантовом мире? Боюсь, кувалдой с напильником тут не обойдешься.

      Короче, проблема перемещения квантовых данных за разумное время с разумной точностью — это даже не полдела. Но в целом, в масштабе человечества, ничего недостижимого нет. Глядишь, лет через двадцать увидем первые «квантовые» снимки.

      • adjachenko
        /#23041266

        Не могли бы вы пояснить для неучей почему нужно именно "одновременно в контексте квант мира", но просто по очереди недостаточно? Ну и конечно же раскройте пожалуйста тему, что значит одновременно в контексте квант мира?

        Суть метода, мне так и не далась. Если мы сохранили фотон, на диск то это же уже частица, т.е. мы точно знаем через какую щель - телескоп он пришел. Или здесь речь идёт о том что каждый фотон одновременно сохранен на двух дисках? Если да то это как вообще возможно? Что конкретно в таком случае хранит диск и как из этого воссоздать фотон? И что собственно дальше то, ну допустим воссоздали фотон, потом что - снова на щель только уже поменьше? А в чем Профит? Почему сразу в космосе нельзя отправить фотон после телескопов на "экран" - третий телескоп?

    • Ausweis_ss
      /#23041254

      Это скорее смесь видения будущего, мечтания, саморекламы и обзора текущих проектов авторов, которые в том числе работают в этом направлении. На данный момент — чистая фнтастика, лет через 5-50 — кто знает.

  3. kareon
    /#23040546

    Боюсь, не увидим мы далеких планет — все квантовые жесткие диски сразу раскупят добытчики криптовалют…

  4. user1er
    /#23040550

    Вот бы наглядные ролики по вашим статьям

  5. Utopia
    /#23041132

    Про интерферометры в астрономии читал давно. И всегда было интересно — а нельзя ли подобный принцип использовать в микроскопии? На всякий — то, что сейчас называют интерференционной микроскопией — не совсем то, что я имею ввиду

    • RigelNM
      /#23041142

      Если речь об оптической микроскопии — разве там ограничение не в длине волны? Интерферометрия здесь не поможет.

      • Utopia
        /#23041190

        Да. Основная проблема — дифракционный предел, свет просто начинает «огибать» препятствие. Но нельзя ли это попытаться использовать — например по разной дифракционной картине.

        • Ausweis_ss
          /#23041242

          Есть разные идеи/методы, но в общем они пока еще далеки от полноценного внедрения в жизнь.
          Можно использовать разные квантовые состояния света, вот классический пример: arxiv.org/abs/quant-ph/9912052

          Из более свежих течений есть вот эта: journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.6.031033

          И неплохой обзор тут arxiv.org/abs/1904.01251

          Из менее квантового, но более рабочего есть интересные штуки вроде phase contrast microscopy и STED microscopy (в этой интерферометров нет, но есть Нобель по химии).