Ученые из Аризонского университета, Университета Мэриленда и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА разработали принципиально новый способ объединения информации, получаемой с удаленных телескопов. Для формирования изображений космических объектов с невиданной ранее детализацией они используют явление квантовой запутанности. Опубликованные в журнале Physical Review Letters результаты исследования указывают на возможность создания телескопов нового поколения, которые смогут выявлять особенности, недоступные для наблюдения из-за существующих физических ограничений.
В классической астрономии применяется метод длиннобазовой интерферометрии, заключающийся в объединении света, полученного от нескольких телескопов, посредством сложных оптических систем для создания эффекта работы единого, очень большого телескопа. Тем не менее, физическая передача световых сигналов на значительные расстояния связана с потерями и техническими сложностями. Альтернативный подход, предложенный в новой методике, предполагает совершенно иную схему: вместо перемещения самого света, ученые предлагают использовать предварительно распределенные между телескопами запутанные состояния квантовых ячеек памяти.
Доктор Сайкат Гуха, возглавляющий Центр квантовых сетей и являющийся старшим автором публикации, отметил, что их группа уже продолжительное время изучает базовые квантовые ограничения оптических систем. В предыдущих исследованиях им удалось продемонстрировать, что применение устройств для разделения пространственных мод света позволяет обойти дифракционный предел, который ранее рассматривался как неразрешимый барьер. Однако основной трудностью оставалось то, что для достижения оптимальной производительности необходимо было объединять световые потоки от различных телескопов.
Предложенный метод решает указанную проблему посредством квантовой телепортации. Квантовая запутанность между узлами обеспечивает объединение информации на квантовом уровне, исключая необходимость физического сближения световых лучей. Вместо этого каждый телескоп автономно обрабатывает полученный свет с использованием пространственного сортера мод, после чего полученные данные сопоставляются благодаря общей запутанности. Это позволяет проводить любые произвольные измерения над совокупным светом, собранным сетью телескопов, вне зависимости от расстояния между ними.
Выполненные командой расчеты, касающиеся сценария наблюдения за двумя точечными источниками, такими как двойные звезды, продемонстрировали результативность метода. Полученные данные свидетельствуют о том, что квантово-усиленная интерферометрия способна достичь точности, превосходящей возможности современных интерферометров, использующих классические каналы связи. Этот подход расширяет перспективы не только в астрофизике, позволяя исследовать звездные скопления и экзопланеты, но и в задачах мониторинга космического пространства, например, для выявления изменений у известных объектов на орбите. Ранее принципиальная возможность реализации данной схемы была подтверждена экспериментально группой из Гарвардского университета, использовавшей запутанность между кремниевыми вакансиями в алмазе, которые функционировали как квантовая память.