科技前沿

量子存储设备创造更高分辨的宇宙图像

  

在浩瀚的宇宙中,详细观察黑洞如何吞噬一颗恒星,是一个看似不可能的任务,但在不久的将来或许就能实现。澳大利亚国立大学(The Australian National University)副教授马修塞拉斯Matthew Silas)团队提出,希望利用各地之间的望远镜传送光子,再通过目前正准备开发的量子存储设备(量子 U 盘)进行光学干扰或合并来创造更高分辨的宇宙图像。                                                                                   

理论上,建造规模更宽的镜面就可以看到更清晰的宇宙图像,因此天文学家不断研发更大更宽的天文望远镜,希望借此洞察到更多的宇宙细节。不过,洛厄尔天文台(Lowell Observatory)的天文学家丽莎普拉托(Lisa Prato)对此表示:“我们不会建 10 米的单孔径望远镜。那太疯狂了!未来的重点将是干涉仪” 。其实,射电天文学科学家研究干涉测量已有几十年之久。2019 年人类史上第一张黑洞照片诞生,其距离地球 5500 万光年,黑洞照片就是通过同步世界各地的望远镜信号制造而成。这些望远镜由南极、智利、墨西哥、法国、美国、西班牙等 8 处独立的天文望远镜组成观测列阵,天文望远镜们横跨地球 7000 公里左右,望远镜的点与点列阵直径与地球直径相差无几,它们彼此串联起来时,彼此之间的距离就像望远镜的镜面一样,这也是为何 “事件视界望远镜(EHT)” 被称为 “跟地球一样大的望远镜”。

因为无线电波波长较大,所以相对易于排列。每个独立的望远镜可将自己精确存储的数据通过无线电波彼此缝合在一起。但是对于光学干涉来说,这要困难许多。由于可见光波长仅在数百纳米,所以它们抵达不同望远镜的时间将更难把将更难把握。另外,光学望远镜如何将粒子信号保存到普通硬盘中还不丢失干涉测量中的重要信息,也是目前科学团队研究的方向。

在早前 2019 年,就有天文学家通过将光纤与光学望远镜彼此串联进行管理,此方法导致对戏外系行星的首次直接观测,但该方法极其费力并且昂贵。加州光学干涉阵列 CHARA 阵列的负责人西奥布鲁梅拉尔(Theo Brummelaar)说道,“如果有一种用某种量子装置在光学望远镜上记录光子事件的方法,那对探索宇宙将大有收益。”在已知的双缝干涉实验中,光子穿过两条缝隙在另一侧会进行自身干涉。科学家团队希望利用望远镜传送光子,再通过目前正准备开发的量子存储设备(量子 U 盘)进行光学干扰或合并来创造更高分辨的宇宙图像。

arXiv 论文预印本平台中,马修塞拉斯提议,利用量子 U 盘进行光学干涉测量。该提议的原理可追溯到 19 世纪英国物理学家托马斯杨(Thomas Young)的一场著名实验,当光线穿过隔板上两条紧密分开的缝隙,映射到后面的是规则且明亮的带状图像。托马斯杨认为,出现这种干涉图像是因为光波通过裂缝相互抵消,并在不同的位置相加,故此该实验被称为杨氏双缝干涉。在后来的研究中,量子物理科学家惊奇地发现,如果一次向缝隙发射一个光子,双缝干涉图像仍会存在。但是,如果监视每个光子通过那个缝隙,干涉图像就会消失。可见,粒子只有在不被干扰的情况下才呈波状。

科学家提出,如果把两条缝隙换成两个望远镜。浩瀚宇宙的单个光子射向地球时,它很可能会撞到任何一个望远镜(缝隙)。在实验这点之前(参照杨氏双缝),光子是同时一起加入两者的波。对此,科学家建议在望远镜上植入量子 U 盘,该 U 盘可以记录和存储射入光子的波状态而不干扰它们。过段时间后,再把 U 盘运输到会干扰信号以创建高清晰高分辨图像的地方。