Teleskop telah berjalan jauh dalam beberapa abad yang lalu. Dari peranti yang relatif sederhana yang dibina oleh ahli astronomi seperti Galileo Galilei dan Johannes Kepler, teleskop telah berkembang menjadi instrumen besar yang memerlukan seluruh kemudahan untuk menempatkan mereka dan kru serta rangkaian komputer yang lengkap untuk menjalankannya. Dan pada tahun-tahun mendatang, balai cerap yang jauh lebih besar akan dibina yang boleh membuat lebih banyak lagi.
Malangnya, trend ke arah instrumen yang lebih besar dan lebih besar ini mempunyai banyak kelemahan. Sebagai permulaan, pemerhatian yang semakin besar memerlukan cermin yang semakin besar atau banyak teleskop yang bekerjasama - keduanya merupakan prospek yang mahal. Nasib baik, sebuah pasukan dari MIT telah mencadangkan menggabungkan interferometri dengan kuantum-teleportasi, yang dapat meningkatkan resolusi array secara signifikan tanpa bergantung pada cermin yang lebih besar.
Secara sederhana, interferometri adalah proses di mana cahaya diperoleh oleh beberapa teleskop yang lebih kecil dan kemudian digabungkan untuk menyusun semula gambar dari apa yang mereka perhatikan. Proses ini digunakan oleh kemudahan seperti Interferometer Teleskop Sangat Besar (VLTI) di Chile dan Pusat Astronomi Resolusi Sudut Tinggi (CHARA) di California.
Yang pertama bergantung pada empat cermin utama 8.2 m (27 kaki) dan empat teleskop tambahan 1.8 m (5.9 kaki) yang bergerak - yang memberikan resolusi setara dengan cermin 140 m (460 kaki) - sementara yang terakhir bergantung pada enam satu meter teleskop, yang memberikan resolusi setara dengan cermin 330-m (1083 kaki). Ringkasnya, interferometri membolehkan tatasusunan teleskop menghasilkan gambar dengan resolusi lebih tinggi daripada yang mungkin dilakukan.
Salah satu kelemahannya adalah bahawa foton pasti akan hilang semasa proses penghantaran. Akibatnya, tatasusunan seperti VLTI dan CHARA hanya dapat digunakan untuk melihat bintang yang terang, dan membina tatasusunan yang lebih besar untuk mengimbangi ini sekali lagi menimbulkan masalah kos. Sebagai Johannes Borregaard - rakan pasca doktoral di Pusat Matematik Teori Kuantum University of Copenhagen (QMATH) dan pengarang bersama di koran - memberitahu Space Magazine melalui e-mel:
"Satu cabaran pencitraan astronomi adalah mendapatkan resolusi yang baik. Resolusi adalah ukuran seberapa kecil ciri yang dapat anda gambar dan akhirnya ditentukan oleh nisbah antara panjang gelombang cahaya yang anda kumpulkan dan ukuran alat anda (had Rayleigh). Susunan teleskop berfungsi sebagai satu alat gergasi dan semakin besar tetapan anda, resolusi lebih baik yang anda dapat. "
Tetapi tentu saja, ini dengan kos yang sangat tinggi. Sebagai contoh, Teleskop Sangat Besar, yang kini sedang dibina di Gurun Atacama di Chile, akan menjadi teleskop optik dan inframerah dekat terbesar di dunia. Ketika pertama kali dicadangkan pada tahun 2012, ESO menunjukkan bahawa projek itu akan menelan belanja sekitar 1 bilion Euro ($ 1,12 bilion) berdasarkan harga 2012. Diselaraskan untuk inflasi, yang mencapai $ 1,23 bilion pada tahun 2018, dan kira-kira $ 1,47 bilion (dengan anggapan kadar inflasi 3%) menjelang 2024 ketika pembinaan dijadualkan selesai.
"Tambahan pula, sumber astronomi selalunya tidak terlalu terang dalam sistem optik," tambah Borregaard. "Walaupun ada sejumlah teknik penstabilan klasik untuk mengatasi yang pertama, yang terakhir ini menimbulkan masalah mendasar bagaimana array teleskop biasanya beroperasi. Teknik standard merakam cahaya di setiap teleskop menghasilkan terlalu banyak bunyi untuk berfungsi dengan sumber cahaya yang lemah. Hasilnya, semua susunan teleskop optik semasa berfungsi dengan menggabungkan cahaya dari teleskop yang berlainan secara langsung di stesen pengukuran tunggal. Harga yang harus dibayar adalah pelemahan cahaya yang dihantar ke stesen pengukuran. Kerugian ini adalah batasan yang teruk untuk membina susunan teleskop yang sangat besar dalam rejim optik (tatasusunan optik semasa mempunyai ukuran maksimum ~ 300 m) dan akhirnya akan membatasi resolusi setelah teknik penstabilan berkesan dilaksanakan. "
Untuk itu, pasukan Harvard - diketuai oleh Emil Khabiboulline, seorang pelajar siswazah di Jabatan Fizik Harvard - mencadangkan untuk bergantung pada teleportasi kuantum. Dalam fizik kuantum, teleportasi menerangkan proses di mana sifat zarah diangkut dari satu lokasi ke lokasi lain melalui keterlibatan kuantum. Ini, seperti yang dijelaskan oleh Borregard, akan memungkinkan gambar dibuat tanpa kerugian yang dihadapi dengan interferometer biasa:
"Satu pemerhatian utama adalah bahawa keterikatan, sifat mekanik kuantum, memungkinkan kita mengirim keadaan kuantum dari satu lokasi ke lokasi lain tanpa mengirimkannya secara fizikal, dalam proses yang disebut teleportasi kuantum. Di sini, cahaya dari teleskop dapat "diteleportkan" ke stesen pengukuran, sehingga menghindari semua kehilangan transmisi. Teknik ini pada prinsipnya akan memungkinkan tatasusunan bersaiz sewenang-wenang dengan menganggap cabaran lain seperti penstabilan ditangani. "
Apabila digunakan untuk teleskop berbantukan kuantum, ideanya adalah untuk membuat aliran pasangan terjerat yang berterusan. Walaupun salah satu partikel berpasangan akan berada di teleskop, yang lain bergerak ke interferometer pusat. Apabila foton tiba dari bintang yang jauh, ia akan berinteraksi dengan salah satu pasangan ini dan akan segera dihantar ke interferometer untuk membuat gambar.
Dengan menggunakan kaedah ini, gambar dapat dibuat dengan kerugian yang dihadapi dengan interferometer biasa. Idea ini pertama kali dicadangkan pada tahun 2011 oleh Gottesman, Jennewein, dan Croke dari University of Waterloo. Pada masa itu, mereka dan penyelidik lain memahami bahawa konsep itu perlu menghasilkan pasangan yang terjerat untuk setiap foton masuk, yang berada pada urutan trilion pasang sesaat.
Ini tidak mungkin dilakukan dengan menggunakan teknologi semasa; tetapi berkat perkembangan terkini dalam pengkomputeran dan penyimpanan kuantum, kini mungkin dapat dilakukan. Seperti yang ditunjukkan oleh Borregaard:
"[W]e gariskan bagaimana cahaya dapat dikompresi menjadi ingatan kuantum kecil yang menyimpan maklumat kuantum. Kenangan kuantum seperti itu boleh terdiri daripada atom yang berinteraksi dengan cahaya. Teknik untuk memindahkan keadaan kuantum denyut cahaya ke atom telah ditunjukkan beberapa kali dalam eksperimen. Sebagai hasil pemampatan ke dalam memori, kami menggunakan lebih sedikit pasangan yang terjerat dibandingkan dengan skema tanpa memori seperti yang dilakukan oleh Gottesman et al. Sebagai contoh, untuk bintang berukuran 10 dan lebar jalur pengukuran 10 GHz, skema kami memerlukan ~ 200 kHz kadar ikatan menggunakan memori 20-qubit dan bukannya 10 GHz sebelumnya. Spesifikasi seperti itu dapat dilaksanakan dengan teknologi terkini dan bintang yang lebih lemah akan menghasilkan penjimatan yang lebih besar dengan hanya sedikit kenangan yang lebih besar. "
Kaedah ini dapat membawa kepada beberapa peluang yang sama sekali baru untuk pengimejan astronomi. Pertama, resolusi gambar akan meningkat secara dramatik, dan mungkin memungkinkan tatasusunan mencapai resolusi yang setara dengan cermin 30 km. Selain itu, hal itu memungkinkan para astronom untuk mengesan dan mempelajari eksoplanet menggunakan teknik pencitraan langsung dengan resolusi hingga ke tahap mikro-detik.
"Rekod semasa adalah sekitar milidetik," kata Borregaard. "Peningkatan resolusi seperti itu akan memungkinkan para astronom mengakses sejumlah perbatasan astronomi baru mulai dari menentukan ciri sistem planet hingga mempelajari cepheids dan binari yang berinteraksi ... Yang menarik bagi pereka teleskop astronomi, skema kami akan sangat sesuai untuk dilaksanakan di ruang angkasa, di mana penstabilan kurang menjadi masalah. Teleskop optik berasaskan ruang pada skala 10 ^ 4 kilometer sememangnya sangat kuat. "
Dalam beberapa dekad yang akan datang, banyak ruang observasi generasi akan datang dan darat akan dibangun atau dikerahkan. Sudah, instrumen ini diharapkan dapat menawarkan resolusi dan kemampuan yang sangat meningkat. Dengan penambahan teknologi yang dibantu oleh kuantum, observatorium ini mungkin dapat menyelesaikan misteri bahan gelap dan tenaga gelap, dan mempelajari planet-planet ekstra-suria secara terperinci.
Kajian pasukan, "Susunan Teleskop Berbantukan Kuantum", baru-baru ini muncul dalam talian. Sebagai tambahan kepada Khabiboulline dan Borregaard, kajian ini dikarang bersama oleh Kristiaan De Greve (rakan postdoctoral Harvard) dan Mikhail Lukin - seorang Profesor Fizik Harvard dan ketua Kumpulan Lukin di Makmal Optik Kuantum Harvard.
