一种新的量子技术可以让我们制作出像地球一样大的望远镜

Paranal 天文台的鸟瞰图，展示了四个 8.2 米单位望远镜 (UT) 和 VLT 干涉仪 (VLTI)

天文学正在发生着一场革命。在过去的十年里，系外行星研究取得了长足的进步，引力波天文学已经成为一个新的领域，并且已经拍摄了第一批超大质量黑洞（SMBH）的图像。由于高度敏感的仪器以及共享和组合来自全球天文台的数据的能力，相关领域干涉测量也取得了令人难以置信的进步。特别是，超长基线干涉测量(VLBI) 科学正在开辟全新的可能性领域。

根据澳大利亚和新加坡研究人员最近的一项研究，一种新的量子技术可以增强光学 VLBI。它被称为受激拉曼绝热通道（STIRAP），它允许量子信息无损失地传输。当印在量子纠错码中时，这种技术可以让 VLBI 观测到以前无法访问的波长。一旦与下一代仪器集成，这项技术就可以对黑洞、系外行星、太阳系和遥远恒星的表面进行更详细的研究。

该研究由澳大利亚悉尼麦考瑞大学工程量子系统中心(EQuS) 的博士后研究员 Zixin Huang 领导。

简而言之，干涉测量技术包括组合来自各种望远镜的光来创建物体的图像。超长基线干涉测量法是指射电天文学中使用的一种特定技术，其中来自天文无线电源（黑洞、类星体、脉冲星、恒星形成星云等）的信号被组合以创建结构和活动的详细图像。近年来，VLBI 获得了围绕人马座A* (Sgr A*) 运行的恒星的最详细图像，人马座 A* （人马座 A*）是我们银河系中心的 SMBH（超大质量黑洞）。

它还允许天文学家与事件视界望远镜(EHT) 合作拍摄黑洞(M87*) 和人马座 A*本身的第一张图像！但正如他们在研究中指出的那样，经典干涉测量法仍然受到一些物理限制的阻碍，包括信息丢失、噪声以及所获得的光在本质上通常是量子的（光子纠缠在一起）。通过解决这些限制，VLBI 可以用于更精细的天文调查。

“目前最先进的大型基线成像系统在电磁波谱的微波波段运行。要实现光学干涉测量，您需要干涉仪的所有部件都稳定在光波长的几分之一内，这样光才能发生干涉。远距离很难做到这一点：噪声源可能来自仪器本身、热胀冷缩、振动等；最重要的是，还有与光学元件相关的损耗。”

“这一研究方向的想法是让我们能够从微波进入光学频率；这些技术同样适用于红外线。我们已经可以在微波中进行大基线干涉测量。然而，这项任务在光学频率上变得非常困难，因为即使是最快的电子设备也无法直接测量这些频率下的电场振荡。”

黄博士和她的同事说，克服这些限制的关键是采用量子通信技术，如受激拉曼绝热通道。STIRAP 包括使用两个相干光脉冲在两个适用的量子态之间传输光学信息。黄说，当应用于 VLBI 时，它将允许在量子态之间进行有效和选择性的转移，而不会受到通常的噪声或损失问题的影响。

黄博士及其同事提出的 STIRAP 协议概述

“为了模拟大型光学干涉仪，必须对光进行连贯的收集和处理，我们建议使用量子纠错来减轻此过程中由于损耗和噪声引起的误差。量子纠错是一个快速发展的领域，主要专注于在存在错误的情况下实现可扩展的量子计算。结合预分布纠缠，我们可以执行从星光中提取我们需要的信息的操作，同时抑制噪声。”

为了验证他们的理论，该团队考虑了一个场景，其中两个相隔很远的设施（爱丽丝和鲍勃）收集天文光。每个共享预分布的纠缠并包含捕获光的“量子存储器”，并且每个都将自己的一组量子数据（量子位）准备成一些 QEC 代码。然后，解码器将接收到的量子状态印在共享的 QEC 代码上，从而保护数据免受后续噪声操作的影响。

鲍勃 望远镜

在“编码器”阶段，信号通过 STIRAP 技术被捕获到量子存储器中，这允许入射光相干耦合到原子的非辐射状态。从占量子态的天文光源捕获光（并消除量子噪声和信息丢失）的能力将改变干涉测量的游戏规则。此外，这些改进将对今天发生革命性变化的其他天文学领域产生重大影响。

“通过进入光学频率，这样的量子成像网络将把成像分辨率提高三到五个数量级，”黄说。“它足够强大，可以对附近恒星周围的小行星、太阳系的细节、恒星表面的运动学、吸积盘以及黑洞视界周围的潜在细节进行成像——目前计划中的项目都无法解决这些问题。”

在不久的将来，詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST) 将使用其先进的红外成像仪器套件以前所未有的方式拍摄系外行星大气。地面天文台也是如此，例如超大望远镜(ELT)、巨型麦哲伦望远镜(GMT) 和三十米望远镜(TMT)。在它们的大型主镜、自适应光学器件、日冕仪和光谱仪之间，这些天文台将能够对系外行星进行直接成像研究，从而获得有关其表面和大气的宝贵信息。

通过利用新的量子技术并将它们与 VLBI 相结合，天文台将有另一种方法来捕捉我们宇宙中一些最难以接近和难以看到的物体的图像。这可能揭示的秘密肯定是革命性的！