新しい量子技術は、私たちが宇宙を研究する方法を変える可能性があります

天文学には革命が進行中です。 実際、いくつかあると言うかもしれません。 過去10年間で、太陽系外惑星の研究はかなり進歩し、重力波天文学は新しい分野として出現し、超大質量ブラックホール(SMBH)の最初の画像がキャプチャされました。

関連分野である干渉法も、高感度の機器と世界中の天文台からのデータを共有および結合する機能のおかげで、信じられないほど進歩しました。 特に、超長基線干渉法(VLBI)の科学は、まったく新しい可能性の領域を開いています。

オーストラリアとシンガポールの研究者による最近の研究によると、新しい量子技術は光VLBIを強化する可能性があります。 これは、Stimulated Raman Adiabatic Passage(STIRAP)として知られており、量子情報を損失なく転送することができます。

量子誤り訂正コードにインプリントすると、この手法により、以前はアクセスできなかった波長でのVLBI観測が可能になります。 この技術は、次世代の機器と統合されると、ブラックホール、太陽系外惑星、太陽系、および遠方の星の表面のより詳細な研究を可能にする可能性があります。

この研究は、オーストラリアのシドニーにあるマッコーリー大学の工学量子システムセンター(EQuS)のポスドク研究員であるZixinHuangが主導しました。 彼女には、シンガポール国立大学(NUS)の電気コンピューター工学科および量子技術センターの理論物理学教授であるGavin Brennanと、量子技術センターの上級研究員であるYingkaiOuyangが加わりました。 NUSで。

簡単に言うと、干渉法の手法は、さまざまな望遠鏡からの光を組み合わせて、他の方法では解像するのが難しすぎる物体の画像を作成することで構成されています。

超長基線干渉計とは、電波天文学で使用される特定の技術を指し、天文学的な電波源(ブラックホール、クエーサー、パルサー、星形成星雲など)からの信号を組み合わせて、それらの構造と活動の詳細な画像を作成します。

近年、VLBIは、銀河の中心にあるSMBHであるいて座A *(Sgr A *)を周回する星の最も詳細な画像を生成しました。 また、イベントホライズンテレスコープ(EHT)コラボレーションの天文学者が、ブラックホール(M87 *)といて座A*自体の最初の画像をキャプチャできるようになりました。

しかし、彼らが彼らの研究で示したように、古典的な干渉法は、情報の損失、ノイズ、および得られる光が一般に量子であるという事実(光子が絡み合っている)など、いくつかの物理的制限によって依然として妨げられています。 これらの制限に対処することにより、VLBIははるかに細かい天文学調査に使用できます。

黄博士は今日の宇宙に電子メールで次のように述べています。「現在の最先端の大規模ベースラインイメージングシステムは、電磁スペクトルのマイクロ波帯域で動作します。光干渉計を実現するには、干渉計のすべての部分が安定している必要があります。光の波長の一部であるため、光が干渉する可能性があります。

これを長距離で行うのは非常に困難です。ノイズの発生源は、機器自体、熱膨張と収縮、振動などから発生する可能性があります。 その上、光学素子に関連する損失があります。

「この一連の研究のアイデアは、マイクロ波から光周波数に移行できるようにすることです。これらの手法は赤外線にも同様に適用されます。マイクロ波で大規模ベースライン干渉法をすでに実行できます。ただし、このタスクは光周波数では非常に困難になります。なぜなら、最速の電子機器でさえ、これらの周波数での電界の振動を直接測定することはできないからです。」

これらの制限を克服するための鍵は、Stimulated RamanAdiabaticPassageのような量子通信技術を採用することであるとHuang博士と彼女の同僚は言います。 STIRAPは、2つのコヒーレント光パルスを使用して、2つの適用可能な量子状態間で光情報を転送することで構成されます。

VLBIに適用すると、ノイズや損失の通常の問題に悩まされることなく、量子状態間の効率的かつ選択的な集団移動が可能になるとHuang氏は述べています。

彼らが彼らの論文(「量子誤り訂正による星のイメージング」)で説明しているように、彼らが想定するプロセスは、星の光を放射しない「暗い」原子状態にコヒーレントに結合することを含みます。

次のステップは、光を量子エラー訂正(QEC)と結合することです。これは、量子コンピューティングで使用される技術で、デコヒーレンスやその他の「量子ノイズ」によるエラーから量子情報を保護します。

しかし、Huangが示すように、この同じ手法により、より詳細で正確な干渉法が可能になる可能性があります。

「大型の光干渉計を模倣するには、光を収集してコヒーレントに処理する必要があります。このプロセスでの損失とノイズによるエラーを軽減するために、量子誤り訂正を使用することを提案します。

「量子誤り訂正は、主にエラーの存在下でスケーラブルな量子コンピューティングを可能にすることに焦点を当てた急速に発展している分野です。事前に分散されたエンタングルメントと組み合わせて、ノイズを抑えながら星明かりから必要な情報を抽出する操作を実行できます。」

彼らの理論をテストするために、チームは、長距離で隔てられた2つの施設(アリスとボブ)が天文学的な光を集めるシナリオを検討しました。

それぞれが事前に分散されたエンタングルメントを共有し、光が取り込まれる「量子メモリ」を含み、それぞれが独自の量子データ(キュービット)のセットをいくつかのQECコードに準備します。 受信した量子状態は、デコーダーによって共有QECコードにインプリントされ、後続のノイズの多い操作からデータが保護されます。

「エンコーダ」段階では、信号はSTIRAP技術を介して量子メモリに取り込まれます。これにより、入射光を原子の非放射状態にコヒーレントに結合することができます。

量子状態を説明する(そして量子ノイズと情報損失を排除する)天文学的な光源からの光を捕らえる能力は、干渉法のゲームチェンジャーになるでしょう。 さらに、これらの改善は、今日も革命を起こしている他の天文学の分野に重大な影響を与えるでしょう。

「光周波数に移行することで、このような量子イメージングネットワークはイメージングの解像度を3〜5桁向上させます」とHuang氏は述べています。

「近くの星の周りの小さな惑星、太陽系の詳細、星の表面の運動学、降着円盤、そしてブラックホールのイベントの地平線の周りの潜在的な詳細を画像化するのに十分強力です-現在計画されているプロジェクトはどれも解決できません。」

近い将来、ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)は、高度な赤外線イメージング機器のスイートを使用して、これまでにないような太陽系外惑星の大気を特徴付けます。 同じことが、超大型望遠鏡(ELT)、巨大マゼラン望遠鏡(GMT)、30メートル望遠鏡(TMT)などの地上の天文台にも当てはまります。

それらの大きな主鏡、補償光学、コロナグラフ、および分光計の間で、これらの天文台は、太陽系外惑星の直接イメージング研究を可能にし、それらの表面と大気に関する貴重な情報をもたらします。

新しい量子技術を利用し、それらをVLBIと統合することにより、天文台は、私たちの宇宙で最もアクセスしにくく、見えにくいオブジェクトのいくつかの画像をキャプチャする別の方法を持つことになります。 これが明らかにする可能性のある秘密は、(前回、約束します!)革命的なものになるはずです!

この記事はもともとUniverseTodayによって公開されました。 元の記事を読んでください。

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