Una nueva técnica cuántica podría habilitar telescopios del tamaño del planeta Tierra

 

Hay una revolución en marcha en la astronomía. De hecho, se podría decir que hay varios. En los últimos diez años, los estudios de exoplanetas han avanzado considerablemente, la astronomía de ondas gravitacionales ha surgido como un nuevo campo y se han capturado las primeras imágenes de agujeros negros supermasivos (SMBH). Un campo relacionado, la interferometría, también ha avanzado increíblemente gracias a los instrumentos de alta sensibilidad y la capacidad de compartir y combinar datos de observatorios de todo el mundo. En particular, la ciencia de interferometría de línea de base muy larga (VLBI) está abriendo nuevos reinos de posibilidades.

Según un estudio reciente realizado por investigadores de Australia y Singapur, una nueva técnica cuántica podría mejorar la VLBI óptica. es conocido como Pasaje Adiabático Raman Estimulado (STIRAP), que, en combinación con el entrelazamiento predistribuido, permite transferir información cuántica sin pérdidas. Cuando se imprime en un código de corrección de errores cuánticos, esta técnica podría permitir observaciones VLBI en longitudes de onda previamente inaccesibles. Una vez integrada con los instrumentos de próxima generación, esta técnica podría permitir estudios más detallados de agujeros negros, exoplanetas, el Sistema Solar y las superficies de estrellas distantes.

La investigación fue dirigida por Zixin Huang, investigador postdoctoral del Centro de Sistemas Cuánticos de Ingeniería (EQuS) y el Facultad de Matemáticas y Ciencias Físicas en la Universidad de Macquarie en Sydney, Australia. A ella se unieron Gavin Brennan, profesor de física teórica en la Universidad de Macquarie, y Yingkai Ouyang, investigador principal de la Centro de Tecnologías Cuánticas en el Universidad Nacional de Singapur (NUS).

En pocas palabras, la técnica de interferometría consiste en combinar la luz de varios telescopios para crear imágenes de un objeto que, de otro modo, sería demasiado difícil de resolver. VLBI se refiere a una técnica específica utilizada en radioastronomía donde las señales de una fuente de radio astronómica (agujeros negros, cuásares, púlsares, nebulosas de formación estelar, etc.) se combinan para crear imágenes detalladas de su estructura y actividad. En los últimos años, VLBI ha producido las imágenes más detalladas de las estrellas que orbitan Sagitarrius A* (Sgr A*), el SMBH en el centro de nuestra galaxia (ver arriba).

También permitió a los astrónomos con la Telescopio de horizonte de eventos (EHT) ¡Colaboración para capturar la primera imagen de un agujero negro (M87*) y Sgr A* mismo! Pero como indicaron en su estudio, la interferometría clásica todavía se ve obstaculizada por varias limitaciones físicas, incluida la pérdida de información, el ruido y el hecho de que la luz obtenida es generalmente de naturaleza cuántica (donde los fotones están entrelazados). Al abordar estas limitaciones, VLBI podría usarse para estudios astronómicos mucho más finos. Dijo el Dr. Huang a Universe Today por correo electrónico

“Los grandes sistemas de imágenes de línea de base de última generación actuales operan en la banda de microondas del espectro electromagnético. Para realizar la interferometría óptica, necesita que todas las partes del intererómetro sean estables dentro de una fracción de longitud de onda de luz, para que la luz pueda interferir. Esto es muy difícil de hacer en grandes distancias: las fuentes de ruido pueden provenir del propio instrumento, la expansión y contracción térmica, la vibración, etc.; y además de eso, hay pérdidas asociadas con los elementos ópticos”

“La idea de esta línea de investigación es permitirnos pasar a las frecuencias ópticas de las microondas; estas técnicas se aplican igualmente al infrarrojo. Ya podemos hacer interferometría de línea de base grande en el microondas. Sin embargo, esta tarea se vuelve muy difícil en frecuencias ópticas, porque incluso la electrónica más rápida no puede medir directamente las oscilaciones del campo eléctrico en estas frecuencias”.

La clave para superar estas limitaciones, dice la Dra. Huang y sus colegas, es emplear técnicas de comunicación cuántica como la distribución de entrelazamiento, en combinación con el pasaje adiabático Raman estimulado. STIRAP consiste en utilizar dos pulsos de luz coherentes para transferir información óptica entre dos estados cuánticos aplicables. Cuando se aplica a VLBI, dijo Huang, permitirá transferencias de población eficientes y selectivas entre estados cuánticos sin sufrir los problemas habituales de ruido o pérdida.

Como describen en su artículo (“Imágenes de estrellas con corrección de errores cuánticos“), el proceso que imaginan implicaría acoplar coherentemente la luz de las estrellas en estados atómicos “oscuros” que no irradian. El próximo paso, dijo Huang, es acoplar la luz con la corrección de errores cuánticos (QEC), una técnica utilizada en la computación cuántica para proteger la información cuántica de errores debido a la decoherencia y otros «ruidos cuánticos». Pero como indica Huang, esta misma técnica podría permitir una interferometría más detallada y precisa:

“Para imitar un gran interferómetro óptico, la luz debe recolectarse y procesarse de manera coherente, y proponemos usar la corrección de errores cuánticos para mitigar los errores debido a la pérdida y el ruido en este proceso. La corrección de errores cuánticos es un área de rápido desarrollo centrada principalmente en permitir la computación cuántica escalable en presencia de errores. En combinación con el entrelazamiento predistribuido, podemos realizar las operaciones que extraen la información que necesitamos de la luz de las estrellas mientras suprimimos el ruido”.

Por el bien de su estudio, el equipo consideró un escenario donde dos instalaciones (Alice y Bob) separadas por largas distancias recolectan luz astronómica. Cada uno comparte un entrelazamiento predistribuido y contiene «memorias cuánticas» en las que se captura la luz, y cada uno prepara su propio conjunto de datos cuánticos (qubits) en algún código QEC. Los estados cuánticos recibidos luego se imprimen en un código QEC compartido por un decodificador, que protege los datos de operaciones ruidosas posteriores.

 

En la etapa de «codificador», la señal se captura en las memorias cuánticas a través de la técnica STIRAP, que permite que la luz entrante se acople de manera coherente en un estado no radiativo de un átomo. La capacidad de capturar la luz de fuentes astronómicas que dan cuenta de los estados cuánticos (y elimina el ruido cuántico y la pérdida de información) cambiaría las reglas del juego para la interferometría. Además, estas mejoras tendrían importantes implicaciones para otros campos de la astronomía que también están siendo revolucionados en la actualidad.

“Al pasar a las frecuencias ópticas, una red de imágenes cuánticas de este tipo mejorará la resolución de las imágenes entre tres y cinco órdenes de magnitud”, dijo Huang. «Sería lo suficientemente potente como para obtener imágenes de pequeños planetas alrededor de estrellas cercanas, detalles de sistemas solares, cinemática de superficies estelares, discos de acreción y, potencialmente, detalles alrededor de los horizontes de eventos de los agujeros negros, ninguno de los cuales los proyectos planificados actualmente pueden resolver».

En un futuro cercano, el Telescopio espacial James Webb (JWST) utilizará su conjunto avanzado de instrumentos de imágenes infrarrojas para caracterizar las atmósferas de los exoplanetas como nunca antes. Lo mismo ocurre con los observatorios terrestres como el Telescopio extremadamente grande (ELT), Telescopio Magallanes Gigante (GMT), y Telescopio de treinta metros (TMT). Entre sus grandes espejos primarios, óptica adaptativa, coronógrafos y espectrómetros, estos observatorios permitirán estudios de imágenes directas de exoplanetas, proporcionando información valiosa sobre sus superficies y atmósferas.

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