Usando a física quântica, os pesquisadores esperam tirar fotos do céu noturno com mais detalhes.
Usar telescópios ópticos (ou de luz visível) para tirar fotos de objetos e eventos difíceis de visualizar é um dos maiores desafios dos astrônomos. A interferometria, um método que coleta a luz de vários telescópios e a combina para obter uma imagem completa, basicamente resolveu esse problema.
Exemplos incluem o Event Horizon Telescope, que depende de observatórios de todo o mundo para tirar as primeiras fotos de Sagitário A* no coração da Via Láctea e do buraco negro supermassivo (SMBH) no centro da galáxia M87.
A manutenção de cabos ópticos entre observatórios é uma necessidade da interferometria convencional, que impõe restrições e pode aumentar significativamente os gastos. Em um estudo recente, um grupo de físicos teóricos e astrofísicos sugeriu uma maneira de contornar essas restrições usando a mecânica quântica.
Eles sugerem como o conceito de emaranhados quânticos pode ser utilizado para compartilhar imagens entre observatórios, em vez de depender de comunicações ópticas. Este método é um componente de um campo de estudo em desenvolvimento que um dia pode resultar em “telescópios quânticos”.
"Os telescópios do futuro podem funcionar com a mecânica quântica.
Pesquisadores da Stony Brook University e do Brookhaven National Laboratory (BNL) em Nova York, Nova York, conduziram a investigação. Stephen Vintskevich, um físico teórico e pesquisador independente atualmente localizado nos Emirados Árabes Unidos, ofereceu mais assistência. Apenas publicado online, o relatório que detalha suas descobertas está sendo avaliado para publicação na revista acadêmica Optica.
Um feixe de luz é dividido na interferometria de Michelson convencional, de modo que um feixe atinge um espelho fixo enquanto o outro feixe atinge um espelho móvel. Reunir os feixes refletidos novamente resulta em um padrão de interferência.
Dois telescópios distantes um do outro coletam os dois feixes para fins astronômicos (chamado interferometria de linha de base). No entanto, apesar de sua eficiência, a interferometria convencional apresenta algumas desvantagens. O co-autor do estudo e astrônomo do BNL, Andrei Nomerotski, forneceu explicações ao Universe Today por e-mail.
“A interferometria é uma forma de aumentar a abertura efetiva dos telescópios e melhorar a resolução angular ou a precisão astrométrica”, disse ele. “A principal dificuldade aqui é manter a estabilidade desse caminho óptico com altíssima precisão, que deve ser bem menor que o comprimento de onda do fóton, para preservar a fase do fóton. Isso limita as linhas de base práticas a algumas centenas de metros.”
OBJETIVO PARA A ASTRONOMIA QUÂNTICA
O emaranhamento quântico pode ajudar a transferir fótons entre observatórios — em vez de conexões físicas caras.
Nos últimos anos, os pesquisadores analisaram a ideia de empregar a mecânica quântica para o avanço da astronomia. O conceito fundamental é que os fótons podem ser trocados entre observatórios sem a necessidade de conexões físicas caras. Usar o emaranhamento quântico, que ocorre quando as partículas interagem e compartilham o mesmo estado quântico apesar de estarem separadas por uma distância percebida, é a chave.
Os pesquisadores Daniel Gottesman, Thomas Jennewein e Sarah Croke, do Instituto Perimeter de Física Teórica e Centro de Computação Quântica da Universidade de Waterloo, introduziram pela primeira vez o conceito de telescópios quânticos.
A proposta de Gottesman-Jennewein-Croke (GJC) e o Narrabri Stellar Intensity Interferometer são recursos que a equipe liderada pelo BNL incorporou em seu interferômetro proposto (NSII). Nomerotski afirmou:
“A proposta era usar uma fonte de fótons emaranhados e empregar correlações de contagens de fótons em duas estações e, portanto, remover principalmente o problema da estabilidade da fase do fóton. Os interferômetros de intensidade são usados para medir os diâmetros das estrelas empregando uma técnica baseada no efeito Hanbury Brown-Twiss (HBT) de agrupamento de fótons. Em nosso esquema, usamos o mesmo efeito, apenas sua parte dependente da fase, para medir o ângulo de abertura entre duas estrelas, que agora poderiam ser separadas por um ângulo considerável. Por outro lado, disse Nomerotski, a segunda estrela também pode ser vista como uma fonte de fótons coerentes para a primeira estrela, daí o link para a proposta de Gottesman-Jennewein-Croke”.
Segundo Nomerotski, o grupo agora está criando uma descrição física que incluiria ambas as possibilidades. Para processar informações quânticas em um ambiente “ruidoso”, isso pode ser generalizado para várias estações e protocolos quânticos.
A equipe criou um interferômetro de dois fótons de bancada para verificar sua teoria, usando uma linha espectral estreita em duas lâmpadas de argônio (para simular duas estrelas). A equipe registrou picos de HBT e correlações de canal, avaliou sua dependência da fase do fóton e fez como a pesquisa teórica anterior havia previsto.
O principal benefício deste método é a resolução angular aprimorada (capacidade dos telescópios de distinguir características finas em objetos). Mas, como Nomerotski apontou, as vantagens a longo prazo podem ser incalculáveis:
“Pode haver várias oportunidades científicas que se beneficiariam de melhorias substanciais na precisão astrométrica. Apenas para listar alguns: testar teorias da gravidade por imagens diretas de discos de acreção de buracos negros, paralaxe de precisão e escada de distância cósmica, mapear eventos de microlentes, exoplanetas, movimentos peculiares, matéria escura e outros.
“Claro, tudo isso é bastante longo e exigirá demonstrações de prova de princípio e, mais importante, sensibilidade aprimorada em comparação com o que é possível agora. Essas melhorias dependem do progresso no desenvolvimento de redes quânticas e repetidores quânticos como na proposta original do GJC. Muito desse desenvolvimento é impulsionado por empresas hoje em dia com propósitos completamente diferentes, e um bom progresso está sendo feito para que possa se tornar realidade em um futuro próximo.”
Houve inúmeras propostas para telescópios quânticos nos últimos anos, incluindo esta para interferometria de dois fótons. Exemplos adicionais incluem a sugestão de uma equipe do MIT para combinar interferometria e teletransporte quântico para melhorar significativamente a resolução do observatório (sem empregar espelhos maiores).
Há também o conceito mais contemporâneo de construir um telescópio virtual de Interferometria de Linha de Base Muito Longa (VLBI) do tamanho do planeta Terra, fundindo a Passagem Adiabática Raman Estimulada (STIRAP) e o emaranhamento pré-distribuído.
Essas abordagens quânticas podem permitir observações em comprimentos de onda anteriormente indisponíveis e investigações mais completas de exoplanetas, buracos negros, Sistema Solar e superfícies estelares distantes.
Além disso, à medida que os esforços para avançar a ciência por trás da computação quântica continuam, novos campos científicos sem dúvida se beneficiarão das aplicações (como a astronomia quântica). Nomerotski continuou:
“Existe uma variedade de ideias conceituais interessantes nesse campo, mas a maioria delas é teórica e, portanto, bastante futurista. Acreditamos que nosso trabalho é um dos poucos que aborda as dificuldades experimentais da abordagem, e estávamos fazendo um bom progresso nisso. Alguns de nós organizaremos um workshop de um dia, uma reunião complementar antes da conferência Quantum 2.0 em Denver em junho, para debater essas ideias.”
