Eine neue Quantentechnik könnte Teleskope von der Größe des Planeten Erde ermöglichen

In der Astronomie ist eine Revolution im Gange. Eigentlich könnte man sagen, es gibt mehrere. In den letzten 10 Jahren sind die Studien zu Exoplaneten erheblich vorangekommen, die Gravitationswellenastronomie ist als neues Gebiet entstanden und die ersten Bilder von supermassereichen Schwarzen Löchern (SMBHs) wurden aufgenommen. Ein verwandtes Gebiet, die Interferometrie, hat dank hochempfindlicher Instrumente und der Möglichkeit, Daten von Observatorien weltweit auszutauschen und zu kombinieren, ebenfalls unglaubliche Fortschritte gemacht. Insbesondere die Wissenschaft der Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) eröffnet völlig neue Möglichkeiten.

Laut einer aktuellen Studie von Forschern aus Australien und Singapur könnte eine neue Quantentechnik das optische VLBI verbessern. Es ist als Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) bekannt und ermöglicht die verlustfreie Übertragung von Quanteninformationen. Wenn diese Technik in einen Quantenfehlerkorrekturcode eingeprägt wird, könnte sie VLBI-Beobachtungen in zuvor unzugänglichen Wellenlängen ermöglichen. Einmal in Instrumente der nächsten Generation integriert, könnte diese Technik detailliertere Untersuchungen von Schwarzen Löchern, Exoplaneten, dem Sonnensystem und den Oberflächen entfernter Sterne ermöglichen.

Die Forschung wurde von Zixin Huang geleitet, einem Postdoktoranden am Centre for Engineered Quantum Systems (EQuS) an der Macquarie University in Sydney, Australien. Zu ihr gesellten sich Gavin Brennan, Professor für Theoretische Physik am Department of Electrical and Computer Engineering und dem Centre of Quantum Technologies an der National University of Singapore (NUS), und Yingkai Ouyang, Senior Research Fellow am Centre of Quantum Technologies bei NUS.

Einfach ausgedrückt besteht die Interferometrietechnik darin, Licht von mehreren Teleskopen zu kombinieren, um Bilder eines Objekts zu erstellen, die sonst zu schwierig aufzulösen wären. Very Long Baseline Interferometry bezieht sich auf eine spezielle Technik, die in der Radioastronomie verwendet wird, bei der Signale von einer astronomischen Radioquelle (schwarze Löcher, Quasare, Pulsare, sternbildende Nebel usw.) kombiniert werden, um detaillierte Bilder ihrer Struktur und Aktivität zu erstellen. In den letzten Jahren hat VLBI die detailliertesten Bilder der Sterne hervorgebracht, die Sagitarrius A* (Sgr A*), den SMBH im Zentrum unserer Galaxie (siehe oben), umkreisen.

Es ermöglichte Astronomen mit der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration auch, das erste Bild eines Schwarzen Lochs (M87*) und von Sgr A* selbst aufzunehmen. Wie sie in ihrer Studie angedeutet haben, wird die klassische Interferometrie jedoch immer noch durch mehrere physikalische Einschränkungen behindert, darunter Informationsverlust, Rauschen und die Tatsache, dass das erhaltene Licht im Allgemeinen quantenhafter Natur ist (wobei Photonen verschränkt sind). Indem diese Einschränkungen angegangen werden, könnte VLBI für viel feinere astronomische Vermessungen verwendet werden. Sagte Dr. Huang zu Universe Today per E-Mail:

„Derzeit hochmoderne große Basislinien-Bildgebungssysteme arbeiten im Mikrowellenband des elektromagnetischen Spektrums. Um optische Interferometrie zu realisieren, müssen alle Teile des Interferometers innerhalb eines Bruchteils einer Lichtwellenlänge stabil sein, so die Licht kann stören. Dies ist über große Entfernungen sehr schwer zu bewerkstelligen: Rauschquellen können vom Instrument selbst, Wärmeausdehnung und -kontraktion, Vibration usw. stammen, und darüber hinaus gibt es Verluste, die mit den optischen Elementen verbunden sind.“

„Die Idee dieser Forschungsrichtung ist es, uns zu ermöglichen, in die optischen Frequenzen von Mikrowellen einzudringen; diese Techniken gelten gleichermaßen für Infrarot. Wir können bereits Interferometrie mit großer Basislinie in der Mikrowelle durchführen. Diese Aufgabe wird jedoch bei optischen Frequenzen sehr schwierig , denn selbst die schnellste Elektronik kann bei diesen Frequenzen die Schwingungen des elektrischen Feldes nicht direkt messen.“

Der Schlüssel zur Überwindung dieser Einschränkungen liegt laut Dr. Huang und ihren Kollegen in der Anwendung von Quantenkommunikationstechniken wie Stimulated Raman Adiabatatic Passage. STIRAP besteht aus der Verwendung zweier kohärenter Lichtpulse, um optische Informationen zwischen zwei anwendbaren Quantenzuständen zu übertragen. Wenn es auf VLBI angewendet wird, sagte Huang, wird es einen effizienten und selektiven Populationstransfer zwischen Quantenzuständen ermöglichen, ohne unter den üblichen Problemen von Rauschen oder Verlust zu leiden.

Wie sie in ihrem Artikel „Imaging stars with quanten error correcting“ beschreiben, würde der Prozess, den sie sich vorstellen, die kohärente Kopplung des Sternenlichts in „dunkle“ atomare Zustände beinhalten, die nicht strahlen. Der nächste Schritt, sagte Huang, besteht darin, das Licht mit der Quantenfehlerkorrektur (QEC) zu koppeln, einer Technik, die beim Quantencomputing verwendet wird, um Quanteninformationen vor Fehlern aufgrund von Dekohärenz und anderem „Quantenrauschen“ zu schützen. Aber wie Huang andeutet, könnte dieselbe Technik eine detailliertere und genauere Interferometrie ermöglichen:

„Um ein großes optisches Interferometer nachzuahmen, muss das Licht kohärent gesammelt und verarbeitet werden, und wir schlagen vor, die Quantenfehlerkorrektur zu verwenden, um Fehler aufgrund von Verlusten und Rauschen in diesem Prozess zu mindern. Die Quantenfehlerkorrektur ist ein sich schnell entwickelnder Bereich, der sich hauptsächlich darauf konzentriert, Skalierbarkeit zu ermöglichen Quantencomputing in Gegenwart von Fehlern. In Kombination mit vorverteilter Verschränkung können wir die Operationen durchführen, die die benötigten Informationen aus Sternenlicht extrahieren und gleichzeitig Rauschen unterdrücken.“

Um ihre Theorie zu testen, erwog das Team ein Szenario, in dem zwei durch große Entfernungen getrennte Einrichtungen (Alice und Bob) astronomisches Licht sammeln. Jeder teilt eine vorverteilte Verschränkung und enthält „Quantenspeicher“, in denen das Licht eingefangen wird, und jeder bereitet seinen eigenen Satz von Quantendaten (Qubits) in einem QEC-Code vor. Die empfangenen Quantenzustände werden dann von einem Decoder auf einen gemeinsamen QEC-Code aufgeprägt, der die Daten vor nachfolgenden verrauschten Operationen schützt.

In der „Encoder“-Stufe wird das Signal über die STIRAP-Technik in die Quantenspeicher eingefangen, wodurch das einfallende Licht kohärent in einen nicht strahlenden Zustand eines Atoms eingekoppelt werden kann. Die Fähigkeit, Licht aus astronomischen Quellen einzufangen, die Quantenzustände berücksichtigen (und Quantenrauschen und Informationsverlust eliminieren), wäre ein Wendepunkt für die Interferometrie. Darüber hinaus hätten diese Verbesserungen erhebliche Auswirkungen auf andere Bereiche der Astronomie, die heute ebenfalls revolutioniert werden.

„Durch den Übergang zu optischen Frequenzen wird ein solches Quantenbildgebungsnetzwerk die Bildauflösung um drei bis fünf Größenordnungen verbessern“, sagte Huang. „Es wäre leistungsfähig genug, um kleine Planeten um nahe Sterne, Details von Sonnensystemen, Kinematik von Sternoberflächen, Akkretionsscheiben und möglicherweise Details rund um die Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern abzubilden – keines dieser derzeit geplanten Projekte kann aufgelöst werden.“

In naher Zukunft wird das James Webb Space Telescope (JWST) seine fortschrittliche Suite von Infrarot-Bildgebungsinstrumenten verwenden, um die Atmosphären von Exoplaneten wie nie zuvor zu charakterisieren. Dasselbe gilt für bodengestützte Observatorien wie das Extremely Large Telescope (ELT), das Giant Magellan Telescope (GMT) und das Thirty Meter Telescope (TMT). Mit ihren großen Primärspiegeln, adaptiven Optiken, Koronographen und Spektrometern werden diese Observatorien Direct-Imaging-Studien von Exoplaneten ermöglichen und wertvolle Informationen über ihre Oberflächen und Atmosphären liefern.

Durch die Nutzung neuer Quantentechniken und deren Integration mit VLBI werden Observatorien eine weitere Möglichkeit haben, Bilder von einigen der unzugänglichsten und am schwersten zu sehenden Objekte in unserem Universum aufzunehmen.