Original 光子盒研究院 光子盒 2022-05-30 19:00 Posted on 北京
在过去十年中，系外行星的研究有了很大的进展；引力波天文学作为一个新的领域出现，并首次捕捉到了超大质量黑洞（SMBH）的图像。另一个相关的领域——干涉测量学，也取得了令人难以置信的进展。这要归功于高灵敏度的仪器以及分享和汇集世界各地天文台数据的能力。特别是，甚长基线干涉测量（VLBI）技术正在打开全新的可能性领域[1]。
据澳大利亚和新加坡研究人员的最近研究[2]，一种新的量子技术可以加强光学甚长基线干涉测量。它被称为“受激拉曼绝热通道”（Stimulated Raman Adiabatic Passage，STIRAP），允许量子信息无损失地传输。当应用量子纠错码时，这种技术可以使VLBI观测到以前无法达到的波长。一旦与下一代仪器集成，这项技术可以允许对黑洞、系外行星、太阳系和遥远恒星的表面进行更详细的研究。
这项研究由华人Zixin Huang领导，她是澳大利亚悉尼麦考瑞大学工程量子系统中心（EQuS）的博士后研究人员。与她一起工作的还有新加坡国立大学（NUS）电子与计算机工程系和量子技术中心的理论物理学教授Gavin Brennan，以及新加坡国立大学量子技术中心的高级研究员Yingkai Ouyang。
具体来说，干涉测量技术包括将来自不同望远镜的光线结合起来，形成一个物体的图像。甚长基线干涉测量法指的是射电天文学中使用的一种特殊技术，来自天文射电源（黑洞、类星体、脉冲星、恒星形成的星云等）的信号被结合起来，形成其结构和活动的详细图像。近年来，VLBI已经产生了围绕人马座A*（Sgr A*）的恒星的最详细图像，Sgr A*是位于我们银河系中心的超大质量黑洞。
天文学家还与事件视界望远镜（EHT）合作，首次捕捉到了一个黑洞（M87*）和Sgr A*本身的图像。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物理限制的阻碍，包括信息损失、噪声，以及所获得的光通常是量子性质的（其中光子是纠缠的）。
通过解决这些限制，VLBI可以被用于更精细的天文调查。
Huang博士说，“目前最先进的大基线成像系统在电磁频谱的微波波段运行。为了实现光学干涉测量，需要干涉仪的所有部分都稳定在光的几分之一波长内，这样光就可以干涉了。但是这在大的距离上很难做到：噪声源可能来自仪器本身、热膨胀和收缩、振动等等；除此之外，还有与光学元件相关的损失。”
“这个研究方向的想法是让我们从微波进入光频；这些技术同样适用于红外。我们已经可以在微波中进行大基线干涉测量。然而，这项任务在光频中变得非常困难，因为即使是最快的电子设备也不能直接测量这些频率下的电场振荡。”
帕瑞纳尔天文台（Paranal Observatory）的鸟瞰图，显示了四个8.2米单元望远镜（UT）和VLTI的各种装置。资料来源：欧空局
Huang博士和她的同事说，克服这些限制的关键是采用像受激拉曼绝热通道这样的量子通信技术。STIRAP包括使用两个相干的光脉冲，在两个适用的量子态之间传输光学信息。当应用于VLBI时，它将允许在量子态之间进行高效和有选择性的传输，而不会受到通常的噪声或损失问题的影响。正如他们在《用量子纠错对恒星进行成像》[2]的论文中所描述的那样，他们所设想的过程将涉及将星光相干地耦合到不辐射的“暗”原子状态。
下一步是将光与量子纠错（QEC）结合起来，这是一种用于量子计算的技术，以保护量子信息免受退相干和其他“量子噪声”的影响。但正如Huang所指出的，这种同样的技术可以实现更详细和准确的干涉测量。“为了模拟大型光学干涉仪，必须相干地收集和处理光，我们建议使用量子纠错来减轻这一过程中由于损失和噪声造成的错误。量子纠错是一个快速发展的领域，主要侧重于在有错误的情况下实现可扩展的量子计算。与预先分配的纠缠相结合，我们可以执行从星光中提取我们所需信息的操作，同时抑制噪声。”
为了测试他们的理论，该团队考虑了一个场景，即两个相隔甚远的设施（Alice和Bob）收集天文光。每个设施都共享预先分配的纠缠，这包含了“量子存储器”；光被捕获到存储器中，并且每个设备都将自己的量子数据集（量子比特）设置成QEC码。然后，接收到的量子态被一个解码器印在一个共享的QEC码上，从而保护数据不受随后的噪声影响。
Huang博士及其同事提出的STIRAP协议的概述。
在“编码器”阶段，信号通过STIRAP技术被捕获到量子存储器中，该技术允许传入的光被相干地耦合到原子的非辐射态中。考虑量子态的光子能力（并消除量子噪声和信息损失）将是干涉测量学的一大突破；这些改进也将对正在被革新的其他天文学领域产生重大影响。
“通过进入光学频率，量子成像网络将把成像分辨率提高三到五个数量级，它将强大到足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、吸积盘以及潜在的黑洞事件视界周围的细节进行成像。而目前已知的项目都无法解决这些问题。”Huang说。
在不久的将来，詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）将利用其先进的红外成像仪器套件来描述系外行星大气的特征，这是前所未有的。
极大望远镜（ELT）、大麦哲伦望远镜（GMT）和三十米望远镜（TMT）等地面天文台的情况也是如此：在其大型主镜、自适应光学系统、日冕仪和光谱仪之间，这些天文台将实现对系外行星的直接成像研究，生产有关其表面和大气的宝贵信息。
通过利用新的量子技术并将它们与VLBI相结合，天文台将有另一种方法来捕捉我们宇宙中一些最难以接近和难以看到的物体的图像。这可能揭示的秘密肯定是革命性的！
[1]https://www.universetoday.com/155841/a-new-quantum-technique-could-enable-telescopes-the-size-of-planet-earth/
[2]https://arxiv.org/abs/2204.06044
