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绘制天文学的量子地平线

2024-04-13 23:48:33  来源:激光网    

2024 年 3 月 11 日,研究人员聚集在亚利桑那州图森参加研讨会,讨论天文学的新事物:量子光学干涉测量。这项新功能被探索为建造巨型望远镜之后可能的下一步,它可以将来自相隔很远的望远镜的光线结合起来,使它们能够充当一个大的收集区域。虽然像 VLA 这样的射电望远镜几十年来一直在利用干涉测量技术,但光学波长方面的挑战一直令人畏惧。

量子光学可能会改变光波长的游戏规则,将分辨率和灵敏度比传统技术提高许多倍。也许这项技术甚至可以让人们有可能窥探一颗绕类太阳恒星运行的遥远行星的细节。

该研讨会由 NSF NOIRLab 组织,该实验室由美国国家科学基金会资助并由 AURA 管理,与量子网络中心 (CQN)、亚利桑那量子计划 (AQuI) 和高角分辨率天文学中心合作(查拉)。

丹·克莱里 (Dan Clery) 在《科学》杂志上关于研讨会的文章 中讨论了光学干涉测量的理论和挑战。他写:

当从不同位置收集的电磁信号合并时,波会发生干涉——波峰与波峰相遇处的亮度加倍,而波峰与波谷相遇处的亮度则抵消。通过组合和处理多对望远镜产生的图案,干涉仪可以组合出光源的详细图像。由于无线电波很长,因此相对容易记录每个望远镜的电波相位或形状的精确时间,并随后在计算机中对其进行干扰。

可见光波比可见光波短一百万倍,因此光学望远镜无法进行这种记录。相反,必须用镜子和真空管将光线从望远镜引导到中央组合器来实时干扰波。每个望远镜的光路必须完全相同,误差小于百万分之一米。因此,今天的实验光学干涉仪很难跨越数百米以上,足以测量恒星的直径,但无法看到其中一颗行星上的海洋和大陆。“我们需要数百公里才能获得我们想要的分辨率,”NOIRLab 的 Stuartt Corder 说道。

科德说,为了实现这一目标,天文学家希望“搭上为其他用途开发的量子技术的顺风车”。一种是量子存储器,它可以在晶格中原子的量子态中存储光子的精确状态(包括其相位信息)。澳大利亚和中国的研究人员已经用铒晶体制造了此类设备,可以存储量子态几个小时。悉尼大学的约翰·巴塞洛缪说,从理论上讲,量子存储器可以在遥远的望远镜中填充并运送到一个中央设施,在那里可以将状态转换回光子并进行干扰。“它保留了与当前干涉测量类似的模型。”

这次研讨会只是天文学家和量子信息科学家之间激动人心的合作的第一步。研讨会的后续目标是撰写一份联合白皮书和/或出版物,描述量子增强望远镜/干涉仪的空中演示的概念。

2024 年4 月 14 日世界量子日,NSF NOIRLab 启动了一个新项目,以研究进行量子实验的有趣可能性,该实验将证明较小的量子增强技术以及梦想的可行性:大型光学干涉仪。这些测试将首先在实验室环境中进行,然后希望在大规模实验中进行。

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