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Paranal 天文台的鸟瞰图 ， 展示了四个 8.2 米单位望远镜 (UT) 和 VLT 干涉仪 (VLTI)
天文学正在发生着一场革命 。 在过去的十年里 ， 系外行星研究取得了长足的进步 ， 引力波天文学已经成为一个新的领域 ， 并且已经拍摄了第一批超大质量黑洞（SMBH）的图像 。 由于高度敏感的仪器以及共享和组合来自全球天文台的数据的能力 ， 相关领域干涉测量也取得了令人难以置信的进步 。 特别是 ， 超长基线干涉测量(VLBI) 科学正在开辟全新的可能性领域 。
根据澳大利亚和新加坡研究人员最近的一项研究 ， 一种新的量子技术可以增强光学 VLBI 。 它被称为受激拉曼绝热通道（STIRAP） ， 它允许量子信息无损失地传输 。 当印在量子纠错码中时 ， 这种技术可以让 VLBI 观测到以前无法访问的波长 。 一旦与下一代仪器集成 ， 这项技术就可以对黑洞、系外行星、太阳系和遥远恒星的表面进行更详细的研究 。
该研究由澳大利亚悉尼麦考瑞大学工程量子系统中心(EQuS) 的博士后研究员 Zixin Huang 领导 。
简而言之 ， 干涉测量技术包括组合来自各种望远镜的光来创建物体的图像 。 超长基线干涉测量法是指射电天文学中使用的一种特定技术 ， 其中来自天文无线电源（黑洞、类星体、脉冲星、恒星形成星云等）的信号被组合以创建结构和活动的详细图像 。 近年来 ， VLBI 获得了围绕人马座A* (Sgr A*) 运行的恒星的最详细图像 ， 人马座 A* （人马座 A*）是我们银河系中心的 SMBH（超大质量黑洞） 。
它还允许天文学家与事件视界望远镜(EHT) 合作拍摄黑洞(M87*) 和人马座 A*本身的第一张图像！但正如他们在研究中指出的那样 ， 经典干涉测量法仍然受到一些物理限制的阻碍 ， 包括信息丢失、噪声以及所获得的光在本质上通常是量子的（光子纠缠在一起） 。 通过解决这些限制 ， VLBI 可以用于更精细的天文调查 。“目前最先进的大型基线成像系统在电磁波谱的微波波段运行 。 要实现光学干涉测量 ， 您需要干涉仪的所有部件都稳定在光波长的几分之一内 ， 这样光才能发生干涉 。 远距离很难做到这一点：噪声源可能来自仪器本身、热胀冷缩、振动等；最重要的是 ， 还有与光学元件相关的损耗 。 ”
“这一研究方向的想法是让我们能够从微波进入光学频率；这些技术同样适用于红外线 。 我们已经可以在微波中进行大基线干涉测量 。 然而 ， 这项任务在光学频率上变得非常困难 ， 因为即使是最快的电子设备也无法直接测量这些频率下的电场振荡 。 ”
黄博士和她的同事说 ， 克服这些限制的关键是采用量子通信技术 ， 如受激拉曼绝热通道 。 STIRAP 包括使用两个相干光脉冲在两个适用的量子态之间传输光学信息 。 黄说 ， 当应用于 VLBI 时 ， 它将允许在量子态之间进行有效和选择性的转移 ， 而不会受到通常的噪声或损失问题的影响 。
黄博士及其同事提出的 STIRAP 协议概述
“为了模拟大型光学干涉仪 ， 必须对光进行连贯的收集和处理 ， 我们建议使用量子纠错来减轻此过程中由于损耗和噪声引起的误差 。 量子纠错是一个快速发展的领域 ， 主要专注于在存在错误的情况下实现可扩展的量子计算 。 结合预分布纠缠 ， 我们可以执行从星光中提取我们需要的信息的操作 ， 同时抑制噪声 。 ”
为了验证他们的理论 ， 该团队考虑了一个场景 ， 其中两个相隔很远的设施（爱丽丝和鲍勃）收集天文光 。 每个共享预分布的纠缠并包含捕获光的“量子存储器” ， 并且每个都将自己的一组量子数据（量子位）准备成一些 QEC 代码 。 然后 ， 解码器将接收到的量子状态印在共享的 QEC 代码上 ， 从而保护数据免受后续噪声操作的影响 。
鲍勃 望远镜
在“编码器”阶段 ， 信号通过 STIRAP 技术被捕获到量子存储器中 ， 这允许入射光相干耦合到原子的非辐射状态 。 从占量子态的天文光源捕获光（并消除量子噪声和信息丢失）的能力将改变干涉测量的游戏规则 。 此外 ， 这些改进将对今天发生革命性变化的其他天文学领域产生重大影响 。
“通过进入光学频率 ， 这样的量子成像网络将把成像分辨率提高三到五个数量级 ， ”黄说 。 “它足够强大 ， 可以对附近恒星周围的小行星、太阳系的细节、恒星表面的运动学、吸积盘以及黑洞视界周围的潜在细节进行成像——目前计划中的项目都无法解决这些问题 。 ”
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