Μια μελέτη για την κατασκευή κβαντικού τηλεσκοπίου

Posted on 07/04/2014

0


… μετά την επιτυχία του κβαντικού μικροσκοπίου

Η περίθλαση του φωτός – η απόκλισή του από την ευθύγραμμη διάδοση γύρω από αντικείμενα ή σχισμές – είναι ένα φαινόμενο που αναδεικνύει την κυματική του φύση. Είναι όμως και ένα φαινόμενο που χαρακτηρίζει την διακριτική ικανότητα των τηλεσκοπίων.

Διακριτική ικανότητα είναι η ελάχιστη απόσταση στην οποία ένα τηλεσκόπιο μπορεί να διακρίνει δυο διαφορετικά σημεία. Η διακριτική ικανότητα περιορίζεται από διάφορα σφάλματα τα οποία μπορούν εν γένει να διορθωθούν. Όμως, υπάρχει ένα όριο, το όριο της περίθλασης πέρα από το οποίο η διακριτική ικανότητα του τηλεσκοπίου δεν βελτιώνεται.

Το όριο περίθλασης ενός τηλεσκοπίου ορίζεται ως η ελάχιστη γωνιακή απόσταση θ (βλέπε το παραπάνω σχήμα) μεταξύ φωτεινών πηγών που μπορεί να διακρίνει το τηλεσκόπιο και εξαρτάται από το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός λ και την διάμετρο D του τηλεσκοπίου:

θ (rad) = 1,22∙λ / D

Η Aglae Kellerer από το πανεπιστήμιο του Durham εξετάζοντας διάφορες κβαντικές τεχνικές επιχειρεί να διερευνήσει αυτό που μέχρι σήμερα φαινόταν αδύνατο … να ξεπεράσει το όριο περίθλασης, θέτοντας τις βάσεις για την κατασκευή του κβαντικού τηλεσκοπίου.
Για παράδειγμα ένα κβαντικό φαινόμενο που θα βοηθούσε στο να μεγιστοποιήσουμε την διακριτική ικανότητα του τηλεσκοπίου είναι η κβαντική σύμπλεξη.

Τον περασμένο μήνα μάλιστα, οι φυσικοί Takafumi Ono, Ryo Okamoto και Shigeki Takeuchi χρησιμοποίησαν το φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης για να κατασκευάσουν στο εργαστήριο το πρώτο μικροσκόπιο που εκμεταλλεύεται αυτό το φαινόμενο, αυξάνοντας δραματική την διακριτική ικανότητα του μικροσκοπίου (Διαβάστε σχετικά ΕΔΩ: World’s First Entanglement-Enhanced Microscope και ΕΔΩ: An Entanglement-Enhanced Microscope)

Δυο φωτόνια που συν-πλέκονται συνδέονται τόσο βαθιά μεταξύ τους που θα μπορούσαμε να πούμε ότι μοιράζονται την ίδια ύπαρξη. Εκτελώντας μια μέτρηση στο ένα, αμέσως επηρεάζεται και το άλλο. Η μέτρηση αυτή μας δίνει πληροφορίες και για το άλλο φωτόνιο, ανεξάρτητα του πόσο μακριά βρίσκεται από μας.

Οι Ono et al δημιούργησαν ζεύγη συν-πλεγμένων φωτονίων. Χρησιμοποίησαν το ένα φωτόνιο του ζεύγους για τον φωτισμό ενός αντικειμένου. Το δεύτερο φωτόνιο μπορεί στη συνέχεια να μας δώσει πληροφορίες σχετικά με το πρώτο και να βελτιωθεί έτσι η εικόνα που δίνει το μικροσκόπιο.

Όμως υπάρχει ένα εμφανές πρόβλημα στο εφαρμοστεί η παραπάνω ιδέα σε ένα τηλεσκόπιο. Τα φωτόνια που εισέρχονται σ’ αυτό έρχονται από άστρα που βρίσκονται σε αποστάσεις πολλών ετών φωτός από εμάς και δεν μπορούμε να τα ελέγξουμε.

Σύμφωνα με την Kellerer υπάρχει τρόπος να παρακαμφθεί το εμπόδιο αυτό.

Δυο φωτόνια κατευθύνονται από αντίθετες κατευθύνσεις σε ένα άτομο και απορροφώνται από αυτό. Στη συνέχεια επανεκπέμπονται αποτελώντας ένα κβαντικό σύστημα: βρίσκονται σε σύμπλεξη. Το άτομο που απορροφά τα δυο φωτόνια αποτελεί μέρος ενός κρυστάλλου και γι αυτό δεν ανακρούεται. Έτσι, η συνολική ορμή των φωτονίων που επανεκπέμπονται προς αντίθετες κατευθύνσεις είναι μηδέν. Αν ανιχνευθεί το ένα από τα δύο φωτόνια τότε προσδιορίζεται και η κατεύθυνση του άλλου φωτονίου. Το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα κβαντικό τηλεσκόπιο.

Δυο φωτόνια κατευθύνονται από αντίθετες κατευθύνσεις σε άτομο και απορροφώνται από αυτό. Στη συνέχεια επανεκπέμπονται αποτελώντας ένα κβαντικό σύστημα: βρίσκονται σε σύμπλεξη. Το άτομο που απορροφά τα δυο φωτόνια αποτελεί μέρος ενός κρυστάλλου και γι αυτό δεν ανακρούεται. Έτσι, η συνολική ορμή των φωτονίων που επανεκπέμπονται προς αντίθετες κατευθύνσεις είναι μηδέν. Αν ανιχνευθεί το ένα από τα δύο φωτόνια τότε προσδιορίζεται και η κατεύθυνση του άλλου φωτονίου. Το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα κβαντικό τηλεσκόπιο.

Προτείνει να χρησιμοποιηθούν τα φωτόνια αστροφυσικής προέλευσης για την δημιουργία ζευγών συν-πλεκομένων φωτονίων στο εσωτερικό του τηλεσκοπίου.

Το ένα φωτόνιο του ζεύγους αυτού να χτυπά τον ανιχνευτή δημιουργώντας μια εικόνα και το άλλο να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση των πληροφοριών σχετικά με το πρώτο.

Σύμφωνα με μια προσομοίωση που έκανε η Kellerer σε υπολογιστή η ανάλυση της εικόνας με την μέθοδο αυτή μπορεί να βελτιωθεί έξι φορές περισσότερο.
KellererΕννοείται πως όλα αυτά αναλύονται σε θεωρητικό επίπεδο και υπάρχουν πολλά προβλήματα που θα πρέπει να επιλυθούν μέχρι την κατασκευή ενός κβαντικού τηλεσκοπίου.

Διαβάστε περισσότερα: medium.com/the-physics-arxiv-blog/5f473cf5a4bc και arxiv.org/pdf/1403.6681v1.pdf