Teleskop telah berkembang jauh dalam beberapa abad terakhir. Dari perangkat yang relatif sederhana yang dibangun oleh para astronom seperti Galileo Galilei dan Johannes Kepler, teleskop telah berkembang menjadi instrumen besar yang membutuhkan seluruh fasilitas untuk menampungnya dan kru penuh serta jaringan komputer untuk menjalankannya. Dan di tahun-tahun mendatang, banyak observatorium yang lebih besar akan dibangun yang dapat melakukan lebih banyak lagi.
Sayangnya, tren terhadap instrumen yang lebih besar dan lebih besar ini memiliki banyak kelemahan. Sebagai permulaan, observatorium yang semakin besar membutuhkan cermin yang semakin besar atau banyak teleskop yang bekerja bersama - keduanya merupakan prospek yang mahal. Untungnya, sebuah tim dari MIT telah mengusulkan menggabungkan interferometri dengan kuantum-teleportasi, yang secara signifikan dapat meningkatkan resolusi array tanpa bergantung pada cermin yang lebih besar.
Sederhananya, interferometri adalah proses di mana cahaya diperoleh dengan beberapa teleskop kecil dan kemudian digabungkan untuk merekonstruksi gambar dari apa yang mereka amati. Proses ini digunakan oleh fasilitas seperti Very Large Telescope Interferometer (VLTI) di Chili dan Pusat Astronomi Resolusi Angular Tinggi (CHARA) di California.
Yang pertama bergantung pada empat cermin utama 8,2 m (27 kaki) dan empat teleskop bantu 1,8 m (5,9 kaki) yang dapat bergerak - yang memberikan resolusi setara dengan cermin 140 m (460 kaki) - sedangkan yang kedua bergantung pada enam meter satu meter. teleskop, yang memberikan resolusi setara dengan cermin 330-m (1083 kaki). Singkatnya, interferometri memungkinkan susunan teleskop untuk menghasilkan gambar dengan resolusi yang lebih tinggi daripada yang dimungkinkan.
Salah satu kelemahannya adalah bahwa foton hilang secara tak terhindarkan selama proses transmisi. Akibatnya, array seperti VLTI dan CHARA hanya dapat digunakan untuk melihat bintang terang, dan membangun array yang lebih besar untuk mengimbangi ini sekali lagi menimbulkan masalah biaya. Seperti Johannes Borregaard - seorang rekan pascadoktoral di Pusat Teori Matematika Quantum (QMATH) Universitas Copenhagen dan rekan penulis di atas kertas - kepada Space Magazine melalui email:
“Salah satu tantangan pencitraan astronomi adalah untuk mendapatkan resolusi yang baik. Resolusi adalah ukuran seberapa kecil fitur yang dapat Anda gambar dan akhirnya ditentukan oleh rasio antara panjang gelombang cahaya yang Anda kumpulkan dan ukuran peralatan Anda (batas Rayleigh). Array teleskop berfungsi sebagai satu peralatan raksasa dan semakin besar Anda membuat array semakin baik resolusi yang Anda dapatkan. "
Tetapi tentu saja, ini datang dengan biaya yang sangat tinggi. Misalnya, Teleskop Sangat Besar, yang saat ini sedang dibangun di Gurun Atacama di Chili, akan menjadi teleskop optik dan inframerah-dekat terbesar di dunia. Ketika pertama kali diusulkan pada tahun 2012, ESO mengindikasikan bahwa proyek tersebut akan menelan biaya sekitar 1 miliar Euro ($ 1,12 miliar) berdasarkan harga 2012. Disesuaikan dengan inflasi, yang menghasilkan $ 1,23 miliar pada tahun 2018, dan sekitar $ 1,47 miliar (dengan asumsi tingkat inflasi 3%) pada tahun 2024 ketika konstruksi dijadwalkan akan selesai.
"Lebih jauh lagi, sumber-sumber astronomi seringkali tidak terlalu cerdas dalam rezim optik," tambah Borregaard. "Meskipun ada sejumlah teknik stabilisasi klasik untuk mengatasi yang pertama, yang terakhir menimbulkan masalah mendasar untuk bagaimana array teleskop biasanya dioperasikan. Teknik standar merekam cahaya secara lokal di setiap teleskop menghasilkan terlalu banyak noise untuk bekerja pada sumber cahaya yang lemah. Akibatnya, semua array teleskop optik saat ini bekerja dengan menggabungkan cahaya dari teleskop yang berbeda secara langsung di stasiun pengukuran tunggal. Harga yang harus dibayar adalah pelemahan cahaya yang ditransmisikan ke stasiun pengukuran. Kehilangan ini merupakan batasan parah untuk membangun array teleskop yang sangat besar dalam rezim optik (array optik saat ini memiliki ukuran maks. ~ 300 m) dan pada akhirnya akan membatasi resolusi setelah teknik stabilisasi yang efektif ada. ”
Untuk ini, tim Harvard - dipimpin oleh Emil Khabiboulline, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Fisika Harvard - menyarankan mengandalkan teleportasi kuantum. Dalam fisika kuantum, teleportasi menggambarkan proses di mana sifat-sifat partikel diangkut dari satu lokasi ke lokasi lain melalui keterikatan kuantum. Ini, seperti dijelaskan Borregard, akan memungkinkan gambar dibuat tanpa kehilangan yang ditemui dengan interferometer normal:
“Satu pengamatan utama adalah keterjeratan, sifat mekanika kuantum, memungkinkan kita mengirim keadaan kuantum dari satu lokasi ke lokasi lain tanpa mentransmisikannya secara fisik, dalam proses yang disebut teleportasi kuantum. Di sini, cahaya dari teleskop dapat "diteleportasikan" ke stasiun pengukuran, sehingga menghindari semua kehilangan transmisi. Teknik ini pada prinsipnya akan memungkinkan array ukuran sewenang-wenang dengan asumsi tantangan lain seperti stabilisasi ditangani. "
Ketika digunakan demi teleskop berbantuan kuantum, idenya adalah menciptakan aliran konstan pasangan yang terjerat. Sementara salah satu partikel berpasangan akan berada di teleskop, yang lain akan melakukan perjalanan ke interferometer pusat. Ketika foton tiba dari bintang yang jauh, foton akan berinteraksi dengan salah satu dari pasangan ini dan segera diteleportasi ke interferometer untuk membuat gambar.
Dengan menggunakan metode ini, gambar dapat dibuat dengan kerugian yang ditemui dengan interferometer normal. Gagasan ini pertama kali disarankan pada 2011 oleh Gottesman, Jennewein, dan Croke dari University of Waterloo. Pada saat itu, mereka dan peneliti lain memahami bahwa konsep ini perlu menghasilkan pasangan yang saling terikat untuk setiap foton yang masuk, yang berada di urutan triliunan pasangan per detik.
Ini sama sekali tidak mungkin menggunakan teknologi saat itu; tetapi berkat perkembangan terbaru dalam komputasi kuantum dan penyimpanan, sekarang mungkin dapat dilakukan. Seperti yang ditunjukkan Borregaard:
“[B]Secara garis besar bagaimana cahaya dapat dikompresi menjadi memori kuantum kecil yang mempertahankan informasi kuantum. Memori kuantum semacam itu dapat terdiri dari atom yang berinteraksi dengan cahaya. Teknik-teknik untuk mentransfer keadaan kuantum dari pulsa cahaya ke atom telah ditunjukkan beberapa kali dalam percobaan. Sebagai hasil dari kompresi ke dalam memori, kami menggunakan pasangan terjerat secara signifikan lebih sedikit dibandingkan dengan skema tanpa memori seperti yang oleh Gottesman et al. Misalnya, untuk bintang berkekuatan 10 dan bandwidth pengukuran 10 GHz, skema kami membutuhkan ~ 200 kHz tingkat keterikatan menggunakan memori 20-qubit, bukan 10 GHz sebelumnya. Spesifikasi seperti itu layak dengan teknologi saat ini dan bintang yang lebih redup akan menghasilkan penghematan yang lebih besar dengan hanya memori yang sedikit lebih besar. ”
Metode ini dapat mengarah pada beberapa peluang yang sama sekali baru ketika datang ke pencitraan astronomi. Untuk satu, itu akan secara dramatis meningkatkan resolusi gambar, dan mungkin memungkinkan array untuk mencapai resolusi yang setara dengan cermin 30 km. Selain itu, ini dapat memungkinkan para astronom untuk mendeteksi dan mempelajari exoplanet menggunakan teknik pencitraan langsung dengan resolusi turun ke tingkat micro-arsecond.
"Rekor saat ini adalah sekitar mili-detik busur," kata Borregaard. "Peningkatan resolusi seperti itu akan memungkinkan para astronom mengakses sejumlah perbatasan baru astronomi mulai dari menentukan karakteristik sistem planet hingga mempelajari cepheid dan berinteraksi biner ... Yang menarik bagi para perancang teleskop astronomi, skema kami akan sangat cocok untuk implementasi di luar angkasa, di mana stabilisasi tidak menjadi masalah. Teleskop optik berbasis ruang pada skala 10 ^ 4 kilometer akan sangat kuat, tentu saja. "
Dalam beberapa dekade mendatang, banyak observatorium berbasis ruang dan generasi berikutnya akan dibangun atau dikerahkan. Sudah, instrumen ini diharapkan untuk menawarkan resolusi dan kemampuan yang sangat meningkat. Dengan tambahan teknologi berbantuan kuantum, observatorium ini bahkan mungkin dapat menyelesaikan misteri materi gelap dan energi gelap, dan mempelajari planet-planet ekstra-surya dengan sangat detail.
Penelitian tim, "Array Teleskop Berbantu Kuantum", baru-baru ini muncul secara online. Selain Khabiboulline dan Borregaard, penelitian ini ditulis bersama oleh Kristiaan De Greve (sesama postdoctoral Harvard) dan Mikhail Lukin - Profesor Fisika Harvard dan kepala Grup Lukin di Quantum Optics Laboratory Harvard.
