Los telescopios han recorrido un largo camino en los últimos siglos. Desde los dispositivos relativamente modestos construidos por astrónomos como Galileo Galilei y Johannes Kepler, los telescopios han evolucionado para convertirse en instrumentos masivos que requieren una instalación completa para alojarlos y una tripulación completa y una red de computadoras para ejecutarlos. Y en los próximos años, se construirán observatorios mucho más grandes que pueden hacer aún más.
Desafortunadamente, esta tendencia hacia instrumentos cada vez más grandes tiene muchos inconvenientes. Para empezar, los observatorios cada vez más grandes requieren espejos cada vez más grandes o muchos telescopios trabajando juntos, los cuales son perspectivas costosas. Afortunadamente, un equipo del MIT ha propuesto combinar interferometría con teletransportación cuántica, lo que podría aumentar significativamente la resolución de las matrices sin depender de espejos más grandes.
En pocas palabras, la interferometría es un proceso en el que la luz se obtiene mediante múltiples telescopios más pequeños y luego se combina para reconstruir imágenes de lo que observaron. Este proceso es utilizado por instalaciones como el Interferómetro de telescopio muy grande (VLTI) en Chile y el Centro de Astronomía de alta resolución angular (CHARA) en California.
El primero se basa en cuatro espejos principales de 8,2 m (27 pies) y cuatro telescopios auxiliares móviles de 1,8 m (5,9 pies), lo que le da una resolución equivalente a un espejo de 140 m (460 pies), mientras que el último se basa en seis de un metro telescopio, que le da una resolución equivalente a un espejo de 330 m (1083 pies). En resumen, la interferometría permite que los conjuntos de telescopios produzcan imágenes de una resolución más alta de lo que sería posible de otra manera.
Uno de los inconvenientes es que los fotones se pierden inevitablemente durante el proceso de transmisión. Como resultado, las matrices como VLTI y CHARA solo se pueden usar para ver estrellas brillantes, y construir matrices más grandes para compensar esto nuevamente plantea el problema de los costos. Como Johannes Borregaard, becario postdoctoral en el Centro de Matemáticas de la Teoría Cuántica (QMATH) de la Universidad de Copenhague y coautor del artículo, le dijo a Space Magazine por correo electrónico:
“Un desafío de la imagen astronómica es obtener una buena resolución. La resolución es una medida de cuán pequeñas son las características que puede visualizar y, en última instancia, se establece por la relación entre la longitud de onda de la luz que está recolectando y el tamaño de su aparato (límite de Rayleigh). Los conjuntos de telescopios funcionan como un aparato gigante y cuanto más grande sea el conjunto, mejor resolución obtendrá.
Pero, por supuesto, esto tiene un costo muy alto. Por ejemplo, el telescopio extremadamente grande, que se está construyendo actualmente en el desierto de Atacama en Chile, será el telescopio óptico y de infrarrojo cercano más grande del mundo. Cuando se propuso por primera vez en 2012, la ESO indicó que el proyecto costaría alrededor de mil millones de euros ($ 1.12 mil millones) en base a los precios de 2012. Ajustado por inflación, eso equivale a $ 1.23 mil millones en 2018, y aproximadamente $ 1.47 mil millones (suponiendo una tasa de inflación del 3%) para 2024 cuando la construcción está programada para completarse.
"Además, las fuentes astronómicas a menudo no son muy brillantes en el régimen óptico", agregó Borregaard. “Si bien existen varias técnicas clásicas de estabilización para abordar la primera, la segunda plantea un problema fundamental sobre cómo se operan normalmente los conjuntos de telescopios. La técnica estándar de registrar localmente la luz en cada telescopio produce demasiado ruido para trabajar con fuentes de luz débiles. Como resultado, todos los conjuntos de telescopios ópticos actuales funcionan combinando la luz de diferentes telescopios directamente en una sola estación de medición. El precio a pagar es la atenuación de la luz en la transmisión a la estación de medición. Esta pérdida es una limitación severa para construir matrices de telescopios muy grandes en el régimen óptico (las matrices ópticas actuales tienen un tamaño máximo de ~ 300 m) y, en última instancia, limitarán la resolución una vez que las técnicas de estabilización sean efectivas ”.
Para esto, el equipo de Harvard, dirigido por Emil Khabiboulline, un estudiante graduado en el Departamento de Física de Harvard, sugiere confiar en la teletransportación cuántica. En física cuántica, la teletransportación describe el proceso en el que las propiedades de las partículas se transportan de un lugar a otro a través del enredo cuántico. Esto, como explica Borregard, permitiría crear imágenes sin las pérdidas encontradas con los interferómetros normales:
“Una observación clave es que el enredo, una propiedad de la mecánica cuántica, nos permite enviar un estado cuántico de una ubicación a otra sin transmitirlo físicamente, en un proceso llamado teletransportación cuántica. Aquí, la luz de los telescopios se puede "teletransportar" a la estación de medición, evitando así toda pérdida de transmisión. En principio, esta técnica permitiría matrices de tamaño arbitrario asumiendo que se aborden otros desafíos, como la estabilización ”.
Cuando se usa por el bien de los telescopios de asistencia cuántica, la idea sería crear un flujo constante de pares entrelazados. Mientras que una de las partículas emparejadas residiría en el telescopio, la otra viajaría al interferómetro central. Cuando un fotón llega desde una estrella distante, interactuará con uno de este par y se teletransportará inmediatamente al interferómetro para crear una imagen.
Usando este método, se pueden crear imágenes con las pérdidas encontradas con interferómetros normales. La idea fue sugerida por primera vez en 2011 por Gottesman, Jennewein y Croke de la Universidad de Waterloo. En ese momento, ellos y otros investigadores entendieron que el concepto necesitaría generar un par enredado para cada fotón entrante, que es del orden de billones de pares por segundo.
Esto simplemente no fue posible usando la tecnología actual; pero gracias a los recientes desarrollos en computación cuántica y almacenamiento, ahora puede ser posible. Como indicó Borregaard:
"[W]Esbozamos cómo se puede comprimir la luz en pequeñas memorias cuánticas que preservan la información cuántica. Tales memorias cuánticas podrían consistir en átomos que interactúan con la luz. Las técnicas para transferir el estado cuántico de un pulso de luz a un átomo ya se han demostrado varias veces en experimentos. Como resultado de la compresión en la memoria, utilizamos significativamente menos pares entrelazados en comparación con esquemas sin memoria como el de Gottesman et al. Por ejemplo, para una estrella de magnitud 10 y un ancho de banda de medición de 10 GHz, nuestro esquema requiere ~ 200 kHz de velocidad de entrelazamiento utilizando una memoria de 20 qubits en lugar de los 10 GHz anteriores. Tales especificaciones son factibles con la tecnología actual y las estrellas más débiles darían como resultado ahorros aún mayores con solo recuerdos un poco más grandes ".
Este método podría generar algunas oportunidades completamente nuevas cuando se trata de imágenes astronómicas. Por un lado, aumentará drásticamente la resolución de las imágenes y tal vez haga posible que las matrices alcancen resoluciones equivalentes a las de un espejo de 30 km. Además, podría permitir a los astrónomos detectar y estudiar exoplanetas utilizando la técnica de imagen directa con resoluciones de hasta el nivel de micro-segundo.
"El récord actual es de alrededor de milisegundos de arco", dijo Borregaard. "Tal aumento en la resolución permitirá a los astrónomos acceder a una serie de nuevas fronteras astronómicas que van desde determinar las características de los sistemas planetarios hasta estudiar cefeidas y binarios interactivos ... De interés para los diseñadores de telescopios astronómicos, nuestro esquema sería adecuado para la implementación en el espacio, donde la estabilización es un problema menor. Un telescopio óptico basado en el espacio en la escala de 10 ^ 4 kilómetros sería muy poderoso ".
En las próximas décadas, muchos observatorios espaciales y terrestres de próxima generación se construirán o desplegarán. Ya se espera que estos instrumentos ofrezcan una resolución y capacidad mucho mayores. Con la incorporación de la tecnología asistida cuántica, estos observatorios podrían incluso resolver los misterios de la materia oscura y la energía oscura, y estudiar planetas extrasolares con un detalle sorprendente.
El estudio del equipo, "Matrices de telescopios con asistencia cuántica", apareció recientemente en línea. Además de Khabiboulline y Borregaard, el estudio fue escrito por Kristiaan De Greve (becaria postdoctoral de Harvard) y Mikhail Lukin, profesor de física de Harvard y jefe del Grupo Lukin en el Laboratorio de Óptica Cuántica de Harvard.
