یک روش کوانتومی جدید کاوش کیهان را متحول می‌کند

به گزارش پایگاه خبری صراط به نقل از فیز، انقلابی در حوزه نجوم در حال وقوع است. در طول ۱۰ سال گذشته، مطالعه سیارات فراخورشیدی به طور قابل توجهی پیشرفت کرده است. "نجوم امواج گرانشی" به عنوان یک حوزه جدید ظهور کرده و اولین تصاویر از سیاهچاله‌های کلان جرم (SMBHs) ثبت شده است. تداخل سنجی نیز به لطف ابزار‌های بسیار حساس و امکان به اشتراک‌گذاری و ترکیب داده‌های رصدخانه‌های سراسر جهان، به طرز باورنکردنی پیشرفت کرده است. به طور خاص، علم "تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی" (VLBI) راه را برای تحقق یافتن قلمرو‌های کاملاً جدیدی می‌گشاید.

براساس مطالعه‌ای جدید که توسط محققان استرالیا و سنگاپور انجام شده است، یک روش کوانتومی جدید می‌تواند "تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی" نوری را بهبود بخشد. این روش "Stimulated Raman adiabatic passage" یا به اختصار STIRAP نام دارد که امکان انتقال داده‌های کوانتومی بدون از دست رفتن اطلاعات را فراهم می‌کند. هنگامی که این روش در "کد تصحیح خطای کوانتومی" جاگذاری می‌شود می‌تواند مشاهدات "تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی" را در طول موج‌هایی که پیش از این غیر قابل دسترس بودند، ممکن کند. زمانی که این روش با ابزار‌های در حال توسعه ادغام شود امکان مطالعه دقیق‌تر سیاهچاله‌ها، سیارات فراخورشیدی، منظومه شمسی و سطح ستارگان دور را فراهم می‌کند.

تصحیح خطای کوانتومی (Quantum error correction) در رایانش کوانتومی برای محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر اختلالات کوانتومی به کار می‌رود.

این تحقیق به رهبری "زیکسین هوان" (Zixin Huang) محقق فوق دکتری در مرکز سیستم‌های کوانتومی مهندسی شده (EQuS) در دانشگاه "مک‌کواری" (Macquarie) سیدنی، استرالیا انجام شد. "گاوین برنان" (Gavin Brennan)، استاد فیزیک نظری به همراه دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر و مرکز فناوری‌های کوانتومی در دانشگاه ملی سنگاپور و همچنین "ینگکای اویانگ" (Yingkai Ouyang) محقق ارشد مرکز فناوری‌های کوانتومی در دانشگاه ملی سنگاپور به او پیوستند.

به بیان ساده، روش تداخل سنجی شامل ترکیب نور چندین تلسکوپ برای ایجاد تصویری از یک جرم است که مشاهده آن در حالت عادی دشوار خواهد بود. "تداخل سنجی خط پایه بسیار طولانی" به روش خاصی اشاره دارد که در نجوم رادیویی استفاده می‌شود و در آن سیگنال‌های یک منبع رادیویی نجومی مانند سیاهچاله، اختروش، تپ‌اختر، سحابی‌های ستاره ساز و سایر اجرام برای ایجاد یک تصویر دقیق از ساختار و فعالیت اجرام نجومی با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

در سال‌های اخیر، "تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی" دقیق‌ترین تصاویر را از ستارگانی که به دور سیاهچاله "کمان ای*" (Sagittarius A*) در مرکز کهکشان ما می‌چرخند، ارائه کرده است. علاوه بر آن تداخل سنجی به اخترشناسان با همکاری تلسکوپ افق رویداد (EHT) این امکان را داد تا تصویری از سیاهچاله "مسیه ۸۷" (M ۸۷*) و خود "کمان ای*" ثبت کنند. اما همانطور که محققان در این مطالعه نشان دادند، تداخل سنجی سنتی هنوز محدودیت‌های فیزیکی از جمله از دست رفتن اطلاعات و نویز را دارد. با پرداختن به این محدودیت‌ها این تداخل‌سنج می‌تواند بررسی‌های نجومی دقیق‌تری به انجام برساند.

دکتر "هوانگ" در ایمیلی به یونیورس تودی گفت: سیستم‌های تصویربرداری خط پایه بزرگ و پیشرفته فعلی در طول موج مایکروویو کار می‌کنند.

ایده این تحقیقات آن است که از امواج مایکروویو به سمت فرکانس‌های نوری حرکت کنیم؛ این روش‌ها به همان اندازه بر نور مادون قرمز اعمال می‌شوند. ما در حال حاضر می‌توانیم "تداخل سنجی خط پایه بسیار طولانی" را در امواج مایکروویو انجام دهیم. با این حال، انجام این کار در فرکانس‌های نوری بسیار دشوار می‌شود، زیرا حتی سریع‌ترین ابزار‌های الکترونیکی نیز نمی‌توانند به طور مستقیم نوسانات میدان الکتریکی را در این فرکانس‌ها اندازه‌گیری کنند.

دکتر "هوانگ" و همکارانش می‌گویند، کلید غلبه بر این محدودیت‌ها، استفاده از روش‌های ارتباط کوانتومی مانند "STIRAP" است.

"هوانگ" گفت: با حرکت به سمت فرکانس‌های نوری، شبکه تصویربرداری کوانتومی وضوح تصویر را بین سه تا پنج مرتبه بهبود می‌بخشد. این روش برای تصویربرداری از سیارات کوچک در اطراف ستارگان نزدیک، جزئیات منظومه‌های خورشیدی، سطح ستاره‌ها و جزئیات احتمالی در اطراف افق رویداد سیاه‌چاله‌ها به اندازه کافی قدرتمند خواهد بود.

در آینده نزدیک، تلسکوپ فضایی جیمز وب از مجموعه پیشرفته ابزار‌های تصویربرداری فروسرخ خود برای توصیف جو سیارات فراخورشیدی استفاده خواهد کرد. همین امر در مورد رصدخانه‌های زمینی مانند تلسکوپ بسیار بزرگ (ELT)، تلسکوپ غول پیکر ماژلان (GMT) و تلسکوپ سی متری (TMT) صادق است.

با بهره‌گیری از تکنیک‌های کوانتومی جدید و ادغام آن‌ها با "تداخل‌سنجی خط پایه بسیار طولانی"، رصدخانه‌ها راه دیگری برای ثبت تصاویر برخی از غیرقابل دسترس‌ترین اجرام در جهان ما پیدا خواهند کرد.