اقتراح جديد يستخدم الأقراص الصلبة الكمية لدمج ضوء التلسكوبات المتعددة، مما يسمح لعلماء الفلك بإنشاء صور عالية الدقة بشكل لا يصدق.
في تجربة الشق المزدوج، يمر الفوتون عبر كلا الشقين في وقت واحد ويتداخل مع نفسه على الجانب الآخر. تمثل الموجة المواقع المحتملة للفوتون ؛ يمثل اللون الأبيض المكان الذي الذي يرجح أن يتواجد به. يأمل علماء الفلك في معالجة التلسكوبات البصرية مثل الشقوق الفرديه.
تخيل أن تكون قادرًا على رؤية سطح كوكب شبيه بالأرض يدور حول نجم آخر، أو أن تشاهد نجمًا يتمزق بواسطة ثقب أسود.
مثل هذه الملاحظات الدقيقة مستحيلة حاليا. لكن العلماء حول العالم يقترحون طرقًا لربط الكم الميكانيكي بالتلسكوبات البصريه من أجل رؤية الكون بمستوى تفاصيل محير للعقل.
الخدعه في نقل الفوتونات الضعيفه بين التلسكوبات، بحيث يمكن دمج الإشارات (التداخل)، لإنشاء صور أكثر وضوحًا. لقد عرف الباحثون منذ سنوات أن هذا النوع من القياس التداخلي سيكون ممكناً مع شبكة مستقبلية من أجهزة تنقليه عن بعد تسمى الإنترنت الكمي. ولكن الإنترنت الكمي هو حلم بعيد المنال، حيث أن اقتراحًا جديدًا لوضع مخطط لإجراء قياس التداخل البصري باستخدام أجهزة التخزين الكمي ما زال في مرحلة التطوير حتى الآن.
هذا المقترح سيمثل المرحلة التالية من هوس علم الفلك بالحجم. تخلق المرايا العريضة صورًا أكثر وضوحًا، لذلك يصمم علماء الفلك تلسكوبات أكبر من أي وقت مضى مما يسبب بالمزيد من تفاصيل الكون تتكشف. اليوم يبنى تلسكوب بصري بمرآة يبلغ قياسها حوالي 40 مترًا عرضاً، و 16 مرة ضعف عرض تلسكوب هابل الفضائي (وبالتالي دقة أعلى) . ولكن ثمة حد يحد نمو المرايا.
"لن نبني تلسكوبًا بفتحة واحدة بطول 100 متر. هذا جنون!" قالت ليزا براتو، عالمة الفلك في مرصد لويل في أريزونا. "إذن ما هو المستقبل؟ المستقبل هو قياس التداخل ".
تلسكوب بحجم الأرض
يقوم علماء الفلك الراديوي بقياس التداخل منذ عقود. تم التقاط أول صورة على الإطلاق لثقب أسود في عام 2019، من خلال مزامنة الإشارات التي وصلت إلى ثمانية تلسكوبات راديوية منتشرة حول العالم. بشكل جماعي، تتمتع التلسكوبات بقوة التحليل لمرآة واحدة بعرض المسافة بينهما - مما يجعله تلسكوب بحجم الأرض.
لتكوين الصورة، يتم ختم موجات الراديو التي تصل إلى كل تلسكوب زمنياً بدقة، و يتم بعد ذلك تخزينها، ثم تجمع البيانات معًا في وقت لاحق. هذا الإجراء سهل نسبيًا في علم الفلك الراديوي، لسببين، لأن الأجسام الباعثة للراديو تميل إلى أن تكون شديدة السطوع، ولأن موجات الراديو كبيرة نسبيًا وبالتالي يسهل اصطفافها.
قياس التداخل البصري أصعب بكثير. تقاس الأطوال الموجية المرئية بمئات النانومتر، مما يترك مجالًا أقل للخطأ في محاذاة الموجات وفقًا لوقت وصولها إلى تلسكوبات مختلفة. ايضا، تبني التلسكوبات البصرية الصور فوتونًا بفوتونً من مصادر خافتة جدًا. من المستحيل حفظ هذه الإشارات على محركات الأقراص الثابتة العادية دون فقد المعلومات الضرورية لإجراء قياس التداخل.
تمكن علماء الفلك من خلال الربط المباشر بين التلسكوبات البصرية القريبة والألياف الضوئية - وأدى ذلك في عام 2019 الى أول ملاحظة مباشرة لكوكب خارج المجموعة الشمسية. لكن ربط تلسكوبات أبعد من كيلومتر واحد أو اكثر "صعب للغاية ومكلف"،قال ثيو تن بروميلار، مدير شارا اريي، مصفوفة قياس التداخل البصري في كاليفورنيا. "إذا كانت هناك طريقة لتسجيل أحداث الفوتون في تلسكوب بصري مع نوع من الأجهزة الكمية، فسيكون ذلك نعمة عظيمة للعلم".
فتحات يونغ
جوس بلاند هوثورن وجون بارثولوميو من جامعه سيدني، و ماثيو سيلارز من الجامعة الوطنية الاسترالية، قاموا باقتراح مخططًا لإجراء قياس التداخل البصري مع محركات الأقراص الكمية.
يعود المبدأ وراء الاقتراح الجديد إلى أوائل القرن التاسع عشر (1800م)، قبل الثورة الكمية، عندما ابتكر توماس يونغ تجربة لاختبار ما إذا كان الضوء مكون من جسيمات أم من موجات. مرر يونغ الضوء من خلال شقين منفصلين ورأى نمطًا من الحزم الساطعة المنتظمة تتشكل على شاشة خلفها. وقال إن نمط التداخل هذا ظهر لأن موجات الضوء من كل شق تلغى وتجمع معًا في مواقع مختلفة.
ثم أصبحت الأمور أكثر غرابة بكثير. اكتشف فيزيائيو الكم أن نمط التداخل المزدوج الشق يبقى حتى لو تم إرسال الفوتونات نحو الشقين واحدًا تلو الآخر. نقطة بنقطة، فإنها تنشئ تدريجيًا نفس نطاقات الضوء والظلام على الشاشة. ولكن، إذا قام أي شخص بمراقبة الشق الذي يمر به كل فوتون، فإن نمط التداخل يختفي. تكون الجسيمات على شكل موجات فقط عندما تكون غير مضطربة.
تخيل الآن أنه بدلاً من شقين، لديك تلسكوبين. عندما يصل فوتون واحد من الكون إلى الأرض، يمكن له أن يصطدم بأي من التلسكوبين. حتى تقوم بقياس هذا - كما هو الحال مع شق يونغ المزدوج - يكون الفوتون عبارة عن موجة تدخل في كليهما.
اقترح بلاند هوثورن وبارثولوميو وسيلارس توصيل محرك أقراص كمية في كل تلسكوب، حيث يمكنه تسجيل وتخزين الحالات الموجية للفوتونات دون حدوث اضطراب لها. بعد فترة، تقوم بنقل محركات الأقراص الثابتة إلى مكان واحد، حيث تتداخل مع الإشارات لإنشاء صورة عالية الدقة بشكل لا يصدق.
ذاكرة الكم
لضمتن نجاح ذلك، يتعين على محركات الأقراص الكمية تخزين الكثير من المعلومات على مدى فترات زمنية طويلة. جاءت إحدى نقاط التحول في عام 2015، عندما صمم بارثولوميو وسيلارز وزملائهم جهاز ذاكرة مصنوع من نوى اليوروبيوم مضمنة في بلورة يمكنها تخزين الحالات الهشة الكمية لمدة ست ساعات، مع إمكانية تمديد ذلك إلى أيام.
ثم، في وقت سابق من هذا العام، قام فريق من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين في خفى ببيان إمكانية حفظ بيانات الفوتون في أجهزة مماثلة ثم قراءتها لاحقًا.
"انه لمثير للحماس و الدهشة أن نرى أن تقنيات المعلومات الكمية يمكن أن تكون مفيدة لعلم الفلك"، قال تسونغ تشيوان تشو. يصف تشو عالمًا تنقل فيه القطارات أو المروحيات عالية السرعة محركات الأقراص الكمية بسرعة بين التلسكوبات البعيدة. ولكن يتبقى لنا أن نرى ما إذا كانت هذه الأجهزة تعمل خارج المختبرات.
بارثولوميو يثق بأنه من الممكن حماية محركات الأقراص الصلبة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تعطل الحالات الكمية. لكن عليهم أيضًا تحمل تغيرات الضغط والتسارع. ويعمل الباحثون على تصميم محركات أقراص صلبة يمكنها تخزين فوتونات بأطوال موجية مختلفة - وهي ضرورية لالتقاط صور للكون.
لا يعتقد الجميع أنها ستنجح. "على المدى الطويل، إذا أصبحت هذه التقنيات عملية، فستتطلب شبكة كمية "، قال ميخائيل لوكين، أخصائي البصريات الكمية في جامعة هارفارد. بدلاً من النقل المادي لمحركات الأقراص الثابتة الكمية، اقترح لوكين مخطط يعتمد على الإنترنت الكمي - شبكة من الأجهزة تسمى مكررات الكم التي تنقل الفوتونات بين المواقع دون الإخلال بحالاتها.
يرد بارثولوميو قائلاً: "لدينا أسباب وجيهة للتفاؤل" بشأن محركات الأقراص الثابتة الكمية . "أعتقد أنه في إطار زمني يمتد من خمس إلى عشر سنوات، يمكنك رؤية تجارب مؤقتة حيث تبدأ فعليًا في البحث عن مصادر [فلكية] حقيقية." على النقيض من ذلك، قال بلاند هوثورن "إن بناء الإنترنت الكمي يحتاج عقودًا إلى أن يترجم إلى أرض الواقع".
المصدر:
ترجمة:
حسن عبد النبي فردان
"طالب جامعي تخصصه الرياضيات وفرعي علوم حاسوب، مهتم بالبرمجة والحسابات"
مراجعة و تدقيق:
أمل مرزوق