天文学的下一个阶段我们正在步入量子望远镜的时代吗？

发布时间：2023-02-20 18:00:36 所属栏目：外闻来源：未知

导读： 　　对于天文学家来说，最大的挑战之一就是用光学（或可见光）望远镜捕捉难以看到的物体和现象的图像。这个问题在很大程度上已经通过干涉测量法解决了，干涉测量法是一种多台望远镜收集光线

　　对于天文学家来说，最大的挑战之一就是用光学（或可见光）望远镜捕捉难以看到的物体和现象的图像。这个问题在很大程度上已经通过干涉测量法解决了，干涉测量法是一种多台望远镜收集光线的技术，然后将这些光线组合起来，以创建更完整的图像。这样的例子包括事件视界望远镜，它依靠世界各地的天文台捕捉到了M87星系中心的超大质量黑洞（SMBH）和银河系中心的人马座A*的第一张图像。

　　话虽如此，但经典的干涉测量法要求天文台之间保持光学连接，这施加了限制，并可能导致成本大幅增加。在最近的一项研究中，一个由天体物理学家和理论物理学家组成的团队提出希望依靠量子力学来克服这些限制。他们提出了如何利用量子纠缠原理在天文台之间共享光子，而不是依赖于光链路。这项技术是一个不断发展的研究领域的一部分，有一天可能会导致“量子望远镜”的出现。

近年来，科学家们研究了利用量子原理实现下一代天文学的可能性。其基本思想是光子可以在观测站之间传输，而不需要建立和维护昂贵的物理连接。关键是要利用量子纠缠，这是一种粒子相互作用并共享相同量子态的现象。量子望远镜最初是由滑铁卢大学圆周理论物理研究所和量子计算研究所的研究人员Daniel Gottesman、Thomas Jennewein和Sarah Croke提出的。

　　由BNL领导的团队提出的干涉仪借鉴了Gottesman - Jennewein - Croke （GJC）提案和 Narrabri 恒星强度干涉仪（NSII）的特点。

　　安德烈·诺莫罗茨基表示：“我们的建议是使用纠缠光子源，并在两个站点中使用光子计数的相关性，因此，基本上消除了光子相位稳定的问题。强度干涉仪利用基于光子聚束的 Hanbury Brown-Twiss（HBT）效应的技术来测量恒星直径。在我们的方案中，我们使用同样的效应，只是它的相位相关部分，来测量两颗恒星之间的张开角度，现在这两颗恒星可以被分开一个相当大的角度。另一方面，第二颗恒星也可以被视为第一颗恒星相干光子的来源，因此与Gottesman - Jennewein - Croke （GJC）的提案有关。”

　　安德烈·诺莫罗茨基说，该团队目前正在制定一份物理描述，其中将包括这两种选择。这可以推广到多站和量子协议，在“嘈杂”环境中处理量子信息。为了验证他们的概念，该团队建造了一台台式双光子干涉仪，使用两个氩气灯中的窄光谱线（模拟两颗恒星）。正如他们基于之前的理论研究所预测的那样，研究小组注意到了HBT的峰值和通道的相关性，并测量了它对光子相位的依赖性。

　　这种技术的主要优点，是提高了望远镜的角度分辨率（辨别物体细节的能力）。但正如诺莫罗茨基所解释的那样，长期的好处可能是不可估量的：

　　“天体测量精度的大幅提高，可能会带来多种科学机会。举几个例子：通过对黑洞吸积盘的直接成像来检验引力理论、精确视差和宇宙距离阶梯、绘制微透镜事件、系外行星、特殊运动、暗物质等。

　　当然，所有这些都是相当长期的，需要进行原理验证演示，重要的是，与目前可实现的技术相比，需要提高灵敏度。这些改进依赖于量子网络和量子中继器的发展进展，就像最初的 GJC 提案一样。如今，许多公司出于完全不同的目的推动了这种发展，目前正在取得良好进展，因此在可预见的未来，它可能会成为现实。”

　　这个双光子干涉测量法的提议是近年来量子望远镜的众多提议之一。其他例子包括麻省理工学院的一个团队提出的将干涉测量与量子隐形传态结合起来，以大幅提高天文台的分辨率（无需使用更大的镜子）。最近还有一种想法，将受激拉曼绝热通道（STIRAP）和预分布纠缠结合起来，创建一个地球大小的虚拟甚长基线干涉测量（VLBI）望远镜。

　　这些量子技术可以在以前无法达到的波长进行观测，并对黑洞、系外行星、太阳系和遥远恒星的表面进行更详细的研究。随着量子计算背后的技术不断成熟，这些应用肯定会延伸到其他研究领域（比如量子天文学）。

　　安德烈·诺莫罗茨基最后补充道：“在这个领域有很多有趣的概念性想法，但大多数都是理论上的，因此很有未来感。我们相信，我们的工作是少数几个解决了这种方法的实验困难的工作之一，而且我们在这方面取得了良好的进展。我们中的一些人将组织一个为期一天的研讨会，在6月在丹佛举行的量子2.0会议之前举行一个同伴会议，对这些想法进行头脑风暴。”

　　这项研究是由纽约布鲁克海文国家实验室（BNL）和纽约石溪大学的研究人员进行的。斯蒂芬·温茨科维奇（Stephen Vintskevich）提供了额外的支持，他是目前居住在阿拉伯联合酋长国的理论物理学家和独立研究员。这篇描述他们发现的论文最近出现在网上，正在接受科学杂志《光学》（Optica）的审查。

　　在经典的迈克尔逊干涉术中，一束光束被分开，使得其中一束光束照射到固定的镜子上，另一束光束照射到可移动的镜子上。当反射的光束重新组合在一起时，就会产生干涉图案。出于天文学的目的，两束光由两个相距一定距离的望远镜收集（称为基线干涉测量法）。但是，尽管经典干涉测量法很有效，但它也有一些局限性。BNL的天体物理学家、这篇论文的合著者安德烈·诺莫罗茨基（Andrei Nomerotski）解释了这一点：

　　“干涉测量是一种增加望远镜有效孔径、提高角度分辨率或天体测量精度的方法。这里的主要困难是保持这条光路的稳定性到非常高的精度，它应该比光子的波长小得多，以保持光子的相位。这就将实际基线限制在几百米以内。”

　　

（编辑：广州站长网）

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