地球に似た惑星の表面が別の恒星を周回している様子や、恒星がブラック ホールによって細断される様子を想像してみてください。
そのような正確な観測は現在不可能です。しかし、科学者たちは、世界中の光学望遠鏡を量子力学的にリンクして、宇宙を驚異的なレベルの詳細で見る方法を提案しています.
その秘訣は、壊れやすい光子を望遠鏡間で転送して、信号を結合または「干渉」させて、はるかに鮮明な画像を作成できるようにすることです。研究者たちは、量子インターネットと呼ばれるテレポーテーション デバイスの未来的なネットワークを使用して、この種の干渉法が可能になることを何年も前から知っていました。しかし、量子インターネットは遠い夢ですが、新しい提案では、現在開発中の量子ストレージ デバイスで光干渉法を実行するためのスキームが示されています。
このアプローチは、天文学のサイズへの執着の次の段階を表すことになります。より広い鏡はより鮮明な画像を作成するため、天文学者は常により大きな望遠鏡を設計し、宇宙のより詳細な展開を見ています.現在、彼らは幅約 40 メートルのミラーを備えた光学望遠鏡を構築しており、これはハッブル宇宙望遠鏡の幅 (したがって解像度) の 16 倍です。ただし、ミラーが大きくなる量には制限があります。
「私たちは、100 メートルの単一口径の望遠鏡を作るつもりはありません。それは非常識です！アリゾナ州ローウェル天文台の天文学者リサ・プラートは、次のように述べています。 「じゃあ未来は？未来の干渉法です。」
地球サイズの望遠鏡
電波天文学者は何十年もの間、干渉法を行ってきました。 2019 年に公開された史上初のブラック ホールの写真は、世界中に点在する 8 つの電波望遠鏡に到着した信号を同期させることによって作成されました。まとめると、これらの望遠鏡は、それらの間の距離と同じ広さの 1 つの鏡の解像度を持っていました。これは実質的に地球サイズの望遠鏡です。
画像を作成するために、各望遠鏡に到達する電波に正確なタイムスタンプを付けて保存し、後でデータをつなぎ合わせました。手順は電波天文学では比較的簡単です。電波を放出する天体は非常に明るくなる傾向があり、電波は比較的大きく、整列しやすいためです。
光干渉法ははるかに困難です。可視波長の長さは数百ナノメートルであり、異なる望遠鏡に到着した時期に応じて波を整列させる際のエラーの余地がはるかに少なくなります。さらに、光学望遠鏡は、非常に暗い光源から光子ごとに画像を作成します。干渉計を実行するために不可欠な情報を失うことなく、これらの粒子の粗い信号を通常のハード ドライブに保存することは不可能です。
天文学者は、近くの光学望遠鏡を光ファイバーで直接リンクすることで管理してきました。これは、2019 年に最初の太陽系外惑星の直接観測につながったアプローチです。しかし、望遠鏡を 1 キロメートルほど離して接続するのは「非常に扱いにくく、費用がかかる」と、カリフォルニア州の光干渉アレイである CHARA Array のディレクターである Theo ten Brummelaar 氏は述べています。 「ある種の量子デバイスを備えた光学望遠鏡で光子イベントを記録する方法があれば、それは科学にとって大きな恩恵となるでしょう。」
ヤングのスリット
シドニー大学の Joss Bland-Hawthorn と John Bartholomew、およびオーストラリア国立大学の Matthew Sellars は最近、量子ハード ドライブで光干渉法を実行するためのスキームを提案しました。
新しい提案の背後にある原理は、トーマス・ヤングが光が粒子または波でできているかどうかをテストする実験を考案した、量子革命の前の1800年代初頭にさかのぼります。ヤングは、2 つの密接に離れたスリットに光を通し、背後のスクリーンに規則的な明るい帯のパターンが形成されるのを見ました。彼は、この干渉パターンは、各スリットからの光波が相殺され、異なる場所で加算されるために現れたと主張しました。
その後、事態はさらに奇妙になりました。量子物理学者は、光子が一度に 1 つずつスリットに向かって送られても、二重スリットの干渉パターンが残ることを発見しました。ドットごとに、画面上に同じ明暗の帯が徐々に作成されます。ただし、各光子がどのスリットを通過するかを誰かが監視すると、干渉パターンは消えます。粒子は乱されていない場合にのみ波状になります。
ここで、スリットが 2 つではなく、望遠鏡が 2 つあるとします。宇宙からの単一の光子が地球に到着すると、どちらの望遠鏡にも衝突する可能性があります。これを測定するまで — ヤングの二重スリットのように — 光子は両方に入る波です。
Bland-Hawthorn、Bartholomew、および Sellars は、各望遠鏡に量子ハード ドライブを接続して、入ってくる光子の波状状態を乱すことなく記録および保存できるようにすることを提案しています。しばらくして、ハード ドライブを 1 つの場所に移動し、信号を干渉して信じられないほど高解像度の画像を作成します。
量子メモリ
これを機能させるには、量子ハード ドライブに長期間にわたって大量の情報を保存する必要があります。 1 つの転機が訪れたのは 2015 年で、バーソロミュー、セラーズ、および同僚が、壊れやすい量子状態を 6 時間保存できる結晶に埋め込まれたユウロピウム核から作られたメモリ デバイスを設計し、これを数日間に延長できる可能性を秘めていました。
その後、今年初め、合肥にある中国科学技術大学のチームが、光子データを同様のデバイスに保存し、後で読み取ることができることを実証しました。
「量子情報技術が天文学に役立つ可能性があることは、非常にエキサイティングで驚くべきことです」と、最近発表された論文の共著者である Zong-Quan Zhou 氏は述べています。 Zhou は、高速列車やヘリコプターが遠く離れた望遠鏡の間で量子ハード ドライブを高速で移動する世界について説明しています。しかし、これらのデバイスが研究室の外で機能するかどうかはまだわかりません.
Bartholomew は、量子状態を混乱させる誤った電界および磁界からハード ドライブを保護できると確信しています。しかし、圧力の変化や加速にも耐えなければなりません。そして研究者たちは、宇宙の画像をキャプチャするために必要な、さまざまな波長の光子を保存できるハード ドライブの設計に取り組んでいます。
誰もがうまくいくとは思っていません。ハーバード大学の量子光学スペシャリストであるミハイル・ルーキンは、「長期的には、これらの技術が実用化されるには、量子ネットワークが必要になるでしょう。 Lukin は、量子ハード ドライブを物理的に輸送するのではなく、量子インターネット (状態を乱すことなく場所間で光子をテレポートする量子リピーターと呼ばれるデバイスのネットワーク) に依存するスキームを提案しました。
Bartholomew 氏は、量子ハード ドライブについて「楽観的になるには十分な理由がある」と反論しています。 「5年から10年の時間枠で、実際の[天文]ソースを実際に調べ始める暫定的な実験を見ることができると思います。」対照的に、Bland-Hawthorn 氏によると、量子インターネットの構築は「現実から数十年」かかります。
