Come costruire un telescopio assistito da teletrasporto

I grandi telescopi sono di gran moda; meglio perché raccolgono più luce e producono immagini a risoluzione più elevata. Il più grande telescopio ottico è attualmente il Gran Telescopio Canarias nelle Isole Canarie, che ha uno specchio primario con un diametro di 10,4 metri.

Questo sarà presto sminuito dall'Extremely Large Telescope attualmente in costruzione in Cile, che, quando si accenderà nel 2024, avrà uno specchio primario di quasi 40 metri di diametro. Avrà anche un costo di circa 1 miliardo di dollari per la costruzione.

Ma c'è un modo più economico per ingrandire i telescopi: costruire una serie di telescopi più piccoli e combinare la luce proveniente da essi usando un interferometro. Il più potente di questi è CHARA, che si trova sul Monte Wilson in California. CHARA è costituito da sei telescopi di un metro separati in modo da dare loro una risoluzione equivalente a uno specchio di 330 metri.

Questo produce immagini con una risoluzione molto più elevata rispetto a qualsiasi telescopio convenzionale. Nel 2013, CHARA ha scattato le prime immagini di macchie stellari sulla superficie di un altro sole, Zeta Andromedae, a circa 180 anni luce da qui.

Ma c'è un problema con gli array ottici giganti. La luce raccolta da ciascun telescopio deve essere inviata a un interferometro centrale che combina i fotoni per creare un'immagine. Tuttavia, i fotoni sono inevitabilmente persi nel processo di trasmissione e questo limita gravemente le prestazioni dell'immagine.

Di conseguenza, CHARA e altri array simili possono visualizzare solo stelle luminose. E le prospettive per la costruzione di array più grandi sembrano cupe.

Entrano Emil Khabiboulline e colleghi dell'Università di Harvard a Cambridge, Massachusetts, che oggi mostrano come le strane leggi della meccanica quantistica possano aiutare a risolvere questo problema. Dicono che i telescopi quantistici potrebbero aumentare significativamente la dimensione massima di questi array e la risoluzione delle immagini che possono produrre.

Innanzitutto, un po' di background. I fisici sanno da tempo che le particelle quantistiche create nello stesso punto dell'universo condividono la stessa esistenza. Questo crea una connessione tra loro che sopravvive anche quando sono separati da enormi distanze. Questa connessione è chiamata entanglement e i fisici l'hanno già sfruttata per inviare informazioni quantistiche attraverso lo spazio e per teletrasportare particelle quantistiche da un luogo all'altro.

Il teletrasporto inizia con una coppia di particelle entangled, chiamatele A e B. Quando una di questa coppia, A, interagisce con una terza particella, l'informazione quantistica da questa terza particella viene trasmessa attraverso il collegamento entangled alla particella B, che assume la sua identità.

È come se la terza particella avesse viaggiato da un luogo all'altro senza passare attraverso lo spazio intermedio. Ecco perché i fisici lo chiamano teletrasporto.

È questo processo di teletrasporto che sfrutteranno i telescopi quantistici. L'idea, proposta per la prima volta nel 2011, è quella di creare un flusso costante di coppie intrecciate. Uno dei due risiede al telescopio, mentre l'altro viaggia verso l'interferometro centrale.

Quando un fotone arriva da una stella lontana, interagisce con una di questa coppia e viene immediatamente teletrasportato all'interferometro, dove può creare un'immagine. In questo modo è possibile creare un'immagine senza le perdite che normalmente limitano le prestazioni.

Quando questa idea è stata proposta per la prima volta nel 2011, i fisici si sono immediatamente resi conto che avrebbe richiesto un numero enorme di coppie entangled, una per ogni fotone in arrivo. Questo è nella regione di 1011 al secondo a CHARA e ordini di grandezza in più rispetto a quanto è possibile con la tecnologia attuale.

Per questo motivo, l'idea di utilizzare telescopi assistiti dal teletrasporto è languita. Finora.

La svolta che Khabiboulline e colleghi hanno fatto è capire come le informazioni quantistiche dalla luce delle stelle possono essere compresse e archiviate e come questo riduce drasticamente la quantità di entanglement richiesta. Il tasso necessario di distribuzione dell'entanglement è ridotto di diversi ordini di grandezza, il che apre prospettive realistiche per l'impiego di reti quantistiche a breve termine per l'imaging ad alta risoluzione, affermano.

La tecnologia che lo rende possibile è la memoria quantistica. Questi sono dispositivi in ​​grado di memorizzare uno stato quantistico e quindi trasmetterlo. [Ciò produce] una riduzione esponenziale del consumo di risorse intrecciate, rispetto agli schemi senza memoria, dicono.

I fisici hanno recentemente compiuto progressi significativi nello sviluppo di memorie quantistiche, spinti dall'idea che questi dispositivi consentiranno tecnologie come un Internet quantistico. I telescopi quantistici sono significativamente più esigenti a causa della velocità richiesta di particelle entangled. Ma Khabiboulline e colleghi affermano che ora sembra più pratico.

È un lavoro interessante che apre un approccio completamente nuovo all'imaging astronomico. Il suggerimento è che renderà possibile un array con una linea di base nella regione di 30 chilometri. Ciò aumenterà notevolmente la risoluzione delle immagini.

Ma in linea di principio, dovrebbe essere possibile costruire array che siano ancora significativamente più grandi, forse anche del diametro della Terra. Questa è una prospettiva entusiasmante per gli astronomi del futuro.

Rif: arxiv.org/abs/1809.03396 : Array di telescopi quantistici

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