新量子技术：增强光学VLBI干涉测量技术

帕拉纳尔天文台的鸟瞰图显示了四个8.2米单位望远镜（UT）和VLT干涉仪（VLTI）的各种装置。图片来源：ESO

天文学正在发生一场革命。事实上，你可能会说有几个。在过去的10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领域，并且已经捕获了超大质量黑洞（SMBHs）的第一批图像。一个相关的领域，干涉测量，也取得了令人难以置信的进步，这要归功于高度灵敏的仪器以及共享和组合来自全球天文台的数据的能力。特别是，超长基线干涉测量（VLBI）的科学正在开辟全新的可能性领域。

根据来自澳大利亚和新加坡的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），它允许量子信息在没有损失的情况下传输。当印刻到量子纠错码中时，这种技术可以允许VLBI观测到以前无法进入的波长。一旦与下一代仪器集成，这种技术就可以对黑洞，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）的博士后研究员黄子新领导。与她一起加入的还有新加坡国立大学（NUS）电气与计算机工程系和量子技术中心的理论物理学教授Gavin Brennan，以及新加坡国立大学量子技术中心高级研究员Yingkai Ouyang。

简而言之，干涉测量技术包括结合来自多个望远镜的光来创建物体的图像，否则这些图像将很难解决。超长基线干涉测量是指射电天文学中使用的一种特定技术，其中来自天文射电源（黑洞，类星体，脉冲星，恒星形成星云等）的信号被组合在一起以创建其结构和活动的详细图像。近年来，VLBI已经产生了围绕Sagitarrius A*（Sgr A *）运行的恒星的最详细的图像，Sagitarrius A*是SMBH位于我们银河系的中心（见上文）。

它还允许天文学家与事件视界望远镜（EHT）合作捕获黑洞（M87 *）和Sgr A *本身的第一张图像。但正如他们在研究中指出的那样，经典干涉测量仍然受到一些物理限制的阻碍，包括信息丢失，噪声以及获得的光通常是量子性质的事实（其中光子纠缠在一起）。通过解决这些限制，VLBI可用于更精细的天文调查。黄博士通过电子邮件对《今日宇宙》说：

“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。为了实现光学干涉测量，您需要干涉仪的所有部分都稳定在光波长的几分之一内，以便光可以干扰。这在很远的距离上很难做到：噪声源可能来自仪器本身，热胀冷缩，振动等;最重要的是，光学元件也存在损失。

“这一系列研究的想法是使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下变得非常困难，因为即使是最快的电子设备也无法直接测量这些频率下电场的振荡。

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，它将允许量子态之间有效和选择性的群体转移，而不会受到通常的噪声或损耗问题的影响。

正如他们在论文“用量子纠错成像恒星”中描述的那样，他们设想的过程将涉及将星光连贯地耦合成不辐射的“黑暗”原子状态。黄说，下一步是将光与量子纠错（QEC）耦合，量子计算中使用的一种技术，用于保护量子信息免受由于退相干和其他“量子噪声”引起的错误。但正如Huang所指出的，同样的技术可以实现更详细和准确的干涉测量：

“为了模仿大型光学干涉仪，必须连贯地收集和处理光，我们建议使用量子纠错来减轻由于在此过程中的损耗和噪声引起的误差。量子纠错是一个快速发展的领域，主要集中在存在错误的情况下实现可扩展的量子计算。结合预分布式纠缠，我们可以执行从星光中提取所需信息的操作，同时抑制噪声。

黄博士及其同事提出的STIRAP方案概述。图片来源：Huang， Z. et al. （2022）

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（Alice和Bob）收集天文光。每个都共享预分布式纠缠并包含捕获光的“量子存储器”，并且每个都准备自己的量子数据集（量子位）到一些QEC代码中。然后，接收的量子态通过解码器印迹到共享的QEC代码上，从而保护数据免受随后的噪声操作的影响。

在“编码器”阶段，信号通过STIRAP技术被捕获到量子存储器中，该技术允许入射光相干耦合成原子的非辐射状态。从考虑量子态（并消除量子噪声和信息丢失）的天文源捕获光的能力将改变干涉测量的游戏规则。此外，这些改进将对今天也正在彻底改变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使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，吸积盘以及黑洞事件视界周围的潜在细节进行成像 - 目前计划的项目都无法解决。

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来表征前所未有的系外行星大气层。地面天文台也是如此，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，从而产生有关其表面和大气层的宝贵信息。

通过利用新的量子技术并将其与VLBI集成，天文台将有另一种方式来捕获我们宇宙中一些最难以接近和最难看到的物体的图像。