يمكن لتقنية الكم الجديدة أن تغير الطريقة التي ندرس بها الكون

(sakkmesterke / iStock / Getty Images)

هناك ثورة جارية في علم الفلك. في الواقع ، يمكنك القول أن هناك العديد منها. في السنوات العشر الماضية ، تقدمت دراسات الكواكب الخارجية بشكل كبير ، موجة الجاذبية ظهر علم الفلك كحقل جديد ، وأول صور فائقة الكتلة الثقوب السوداء (SMBHs) تم التقاطها.

كما تقدم مجال ذو صلة ، وهو قياس التداخل ، بشكل لا يصدق بفضل الأدوات شديدة الحساسية والقدرة على مشاركة ودمج البيانات من المراصد في جميع أنحاء العالم. على وجه الخصوص ، علم قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا (VLBI) يفتح آفاقًا جديدة تمامًا من الاحتمالات.

وفقًا لدراسة حديثة أجراها باحثون من أستراليا وسنغافورة ، يمكن لتقنية كمومية جديدة أن تعزز VLBI البصري. يُعرف باسم تحفيز ممر رامان الأديباتي (STIRAP) ، والذي يسمح بنقل المعلومات الكمية دون خسائر.

عند طبعها في رمز تصحيح الخطأ الكمي ، يمكن أن تسمح هذه التقنية بملاحظات VLBI بأطوال موجية كان يتعذر الوصول إليها سابقًا. بمجرد دمجها مع أدوات الجيل التالي ، يمكن أن تسمح هذه التقنية بإجراء دراسات أكثر تفصيلاً للثقوب السوداء والكواكب الخارجية والنظام الشمسي وأسطح النجوم البعيدة.

قاد البحث Zixin Huang ، زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في مركز أنظمة الكم الهندسية (EQuS) في جامعة ماكواري في سيدني ، أستراليا. انضم إليها جافين برينان ، أستاذ الفيزياء النظرية بقسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ومركز تقنيات الكم في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) ، و Yingkai Ouyang ، زميل أبحاث كبير في مركز تقنيات الكم في NUS.

لوضعها بوضوح ، فإن قياس التداخل تتكون التقنية من الجمع بين الضوء من التلسكوبات المختلفة لإنشاء صور لكائن من الصعب جدًا حلها.

يشير قياس التداخل الأساسي الطويل جدًا إلى تقنية محددة مستخدمة في علم الفلك الراديوي حيث تكون الإشارات من مصدر راديوي فلكي (الثقوب السوداء والكوازارات ، النجوم النابضة ، السدم المكونة للنجوم ، وما إلى ذلك) لإنشاء صور مفصلة لبنيتها ونشاطها.

في السنوات الأخيرة ، أنتج VLBI الصور الأكثر تفصيلاً لـ النجوم التي تدور حول برج القوس A * (Sgr A *) ، SMBH في مركز مجرتنا. كما سمح لعلماء الفلك باستخدام تلسكوب أفق الحدث (EHT) التعاون لالتقاط ملف الصورة الأولى للثقب الأسود (M87 *) و Sgr A * بحد ذاتها!

ولكن كما أشاروا في دراستهم ، لا يزال قياس التداخل الكلاسيكي يعوقه العديد من القيود الفيزيائية ، بما في ذلك فقدان المعلومات ، والضوضاء ، وحقيقة أن الضوء الذي تم الحصول عليه يكون بشكل عام كمومي بطبيعته (حيث تتشابك الفوتونات). من خلال معالجة هذه القيود ، يمكن استخدام VLBI لإجراء مسوحات فلكية أكثر دقة.

قال الدكتور هوانغ لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني: 'تعمل أحدث أنظمة التصوير الأساسية الحالية في نطاق الموجات الدقيقة للطيف الكهرومغناطيسي. لتحقيق قياس التداخل البصري ، تحتاج إلى أن تكون جميع أجزاء مقياس التداخل ثابتة ضمن جزء من الطول الموجي للضوء ، بحيث يمكن للضوء أن يتداخل.

من الصعب جدًا القيام بذلك على مسافات كبيرة: يمكن أن تأتي مصادر الضوضاء من الجهاز نفسه ، والتمدد والانكماش الحراري ، والاهتزاز وما إلى ذلك ؛ وعلاوة على ذلك ، هناك خسائر مرتبطة بالعناصر البصرية.

فكرة هذا الخط من البحث هي السماح لنا بالانتقال إلى الترددات الضوئية من الموجات الدقيقة ؛ هذه التقنيات تنطبق بالتساوي على الأشعة تحت الحمراء. يمكننا بالفعل إجراء قياس التداخل الأساسي الكبير في الميكروويف. ومع ذلك ، تصبح هذه المهمة صعبة للغاية في الترددات الضوئية ، لأنه حتى أسرع الإلكترونيات لا يمكنها قياس تذبذبات المجال الكهربائي بشكل مباشر عند هذه الترددات.

تقول الدكتورة هوانغ وزملاؤها إن مفتاح التغلب على هذه القيود هو استخدام تقنيات الاتصال الكمي مثل ممر رامان الأديباتي المحفز. يتكون STIRAP من استخدام نبضتين ضوئيتين مترابطتين لنقل المعلومات الضوئية بين حالتين كميتين قابلتين للتطبيق.

قال هوانغ إنه عند تطبيقه على VLBI ، فإنه سيسمح بعمليات نقل سكانية فعالة وانتقائية بين الحالات الكمية دون المعاناة من المشكلات المعتادة المتمثلة في الضوضاء أو الخسارة.

كما يصفون في ورقتهم (' تصوير النجوم مع تصحيح الخطأ الكمومي ') ، فإن العملية التي يتصورونها تتضمن اقتران ضوء النجوم بشكل متماسك بحالات ذرية 'مظلمة' لا تشع.

قال هوانغ إن الخطوة التالية هي ربط الضوء بتصحيح الخطأ الكمي (QEC) ، وهي تقنية مستخدمة في الاحصاء الكمية لحماية المعلومات الكمية من الأخطاء بسبب فك الترابط و 'الضوضاء الكمومية' الأخرى.

ولكن كما يشير هوانغ ، يمكن أن تسمح هذه التقنية نفسها بمزيد من التفصيل والدقة في قياس التداخل:

لتقليد مقياس التداخل البصري الكبير ، يجب جمع الضوء ومعالجته بشكل متماسك ، ونقترح استخدام تصحيح الخطأ الكمومي لتخفيف الأخطاء الناتجة عن الفقد والضوضاء في هذه العملية.

يعد تصحيح الخطأ الكمي مجالًا سريع التطور يركز بشكل أساسي على تمكين الحوسبة الكمية القابلة للتطوير في ظل وجود أخطاء. بالاشتراك مع الموزعة مسبقًا تشابك ، يمكننا إجراء العمليات التي تستخرج المعلومات التي نحتاجها من ضوء النجوم أثناء قمع الضوضاء.

لاختبار نظريتهم ، نظر الفريق في سيناريو حيث تقوم منشأتان (أليس وبوب) مفصولة بمسافات طويلة بجمع الضوء الفلكي.

تشترك كل واحدة في التشابك الموزع مسبقًا وتحتوي على 'ذكريات كمومية' يتم فيها التقاط الضوء ، ويقوم كل منها بإعداد مجموعته الخاصة من البيانات الكمية (الكيوبتات) في بعض رموز QEC. يتم بعد ذلك طباعة الحالات الكمومية المستلمة على رمز QEC مشترك بواسطة وحدة فك ترميز ، والتي تحمي البيانات من العمليات الصاخبة اللاحقة.

في مرحلة 'التشفير' ، يتم التقاط الإشارة في الذكريات الكمومية عبر تقنية STIRAP ، والتي تسمح للضوء الوارد بالاقتران بشكل متماسك في حالة غير إشعاعية للذرة.

إن القدرة على التقاط الضوء من المصادر الفلكية التي تفسر الحالات الكمومية (وتزيل الضوضاء الكمومية وفقدان المعلومات) ستكون بمثابة تغيير لقياس التداخل. علاوة على ذلك ، سيكون لهذه التحسينات آثار كبيرة على مجالات علم الفلك الأخرى التي تحدث ثورة أيضًا اليوم.

قال هوانغ: 'من خلال الانتقال إلى الترددات الضوئية ، ستعمل شبكة التصوير الكمومي على تحسين دقة التصوير بمقدار ثلاثة إلى خمسة أوامر من حيث الحجم'.

ستكون قوية بما يكفي لتصوير الكواكب الصغيرة حول النجوم القريبة ، وتفاصيل الأنظمة الشمسية ، وحركية الأسطح النجمية ، وأقراص التراكم ، وربما التفاصيل حول آفاق الحدث للثقوب السوداء - ولا يمكن لأي مشروع مخطط حاليًا حله.

في المستقبل القريب ، فإن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ستستخدم مجموعتها المتقدمة من أدوات التصوير بالأشعة تحت الحمراء لتوصيف أجواء الكواكب الخارجية بشكل لم يسبق له مثيل. وينطبق الشيء نفسه على المراصد الأرضية مثل تلسكوب كبير للغاية (ELT) ، تلسكوب ماجلان العملاق (GMT) و تلسكوب ثلاثين مترا (TMT).

بين المرايا الأولية الكبيرة ، والبصريات التكيفية ، والفقرات التاجية ، ومقاييس الطيف ، ستتيح هذه المراصد إجراء دراسات تصوير مباشرة للكواكب الخارجية ، مما ينتج عنه معلومات قيمة عن أسطحها وأجواءها.

من خلال الاستفادة من تقنيات الكم الجديدة ودمجها مع VLBI ، سيكون لدى المراصد طريقة أخرى لالتقاط صور لبعض أكثر الأشياء التي يصعب الوصول إليها والتي يصعب رؤيتها في عالمنا. الأسرار التي يمكن أن يكشفها هذا ستكون بالتأكيد (آخر مرة ، أعدك!) ثورية!

تم نشر هذه المقالة في الأصل بواسطة الكون اليوم . إقرأ ال المقالة الأصلية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.