Apakah Kita Memasuki Era Teleskop Kuantum?
Contohnya termasuk Teleskop Horizon Peristiwa, yang bergantung pada observatorium dari seluruh dunia untuk menangkap gambar pertama lubang hitam supermasif (SMBH) di pusat galaksi M87, dan Sagitarius A* di pusat Bima Sakti.
Dikatakan demikian, interferometri klasik mengharuskan tautan optik dipertahankan antara observatorium, yang memberlakukan batasan dan dapat menyebabkan peningkatan biaya secara drastis. Dalam studi baru-baru ini, tim ahli astrofisika dan fisikawan teoretis mengusulkan bagaimana keterbatasan ini dapat diatasi dengan mengandalkan mekanika kuantum.
Alih-alih mengandalkan tautan optik, mereka mengusulkan bagaimana prinsip keterikatan kuantum dapat digunakan untuk berbagi foton antar observatorium. Teknik ini merupakan bagian dari bidang penelitian yang berkembang yang dapat mengarah pada "teleskop kuantum" suatu hari nanti.
Studi tersebut dilakukan oleh para peneliti dari Brookhaven National Laboratory (BNL) dan Stony Brook University di New York, New York. Dukungan tambahan diberikan oleh Stephen Vintskevich, seorang ahli fisika teoretis dan peneliti independen yang saat ini tinggal di Uni Emirat Arab.
Makalah yang menjelaskan temuan mereka baru-baru ini muncul online dan sedang ditinjau untuk dipublikasikan di jurnal ilmiah Optica.
Dalam Interferometri Michelson klasik, seberkas cahaya dibelah sehingga satu berkas mengenai cermin tetap dan berkas lainnya mengenai cermin bergerak. Pola interferensi dibuat ketika sinar yang dipantulkan disatukan kembali. Untuk keperluan astronomi, kedua sinar dikumpulkan oleh dua teleskop yang dipisahkan oleh jarak tertentu (disebut interferometri dasar).
Namun terlepas dari keefektifannya, interferometri klasik tunduk pada beberapa keterbatasan. Andrei Nomerotski, seorang ahli astrofisika di BNL dan salah satu penulis makalah, menjelaskan kepada Universe Today melalui email.
“Interferometri adalah cara untuk meningkatkan aperture efektif teleskop dan meningkatkan resolusi sudut atau presisi astrometrik,” katanya. “Kesulitan utama di sini adalah mempertahankan stabilitas jalur optik ini hingga presisi sangat tinggi, yang seharusnya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang foton, untuk mempertahankan fase foton. Ini membatasi garis dasar praktis hingga beberapa ratus meter.”
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah menyelidiki kemungkinan menggunakan prinsip kuantum untuk mengaktifkan astronomi generasi mendatang. Ide dasarnya adalah bahwa foton dapat ditransfer antar observatorium tanpa koneksi fisik yang mahal untuk dibangun dan dipelihara.
Kuncinya adalah memanfaatkan keterikatan kuantum, sebuah fenomena di mana partikel berinteraksi dan berbagi keadaan kuantum yang sama – meskipun dipisahkan oleh jarak yang dipertimbangkan.
Teleskop kuantum awalnya diusulkan oleh peneliti Daniel Gottesman, Thomas Jennewein, dan Sarah Croke dari Perimeter Institute for Theoretical Physics dan Institute for Quantum Computing di University of Waterloo.
Interferometer yang diusulkan oleh tim yang dipimpin BNL meminjam fitur dari proposal Gottesman-Jennewein-Croke (GJC) dan Narrabri Stellar Intensity Interferometer (NSII). Kata Nomerotski:
“Proposalnya adalah menggunakan sumber foton terjerat dan menggunakan korelasi jumlah foton di dua stasiun dan, oleh karena itu, sebagian besar menghilangkan masalah stabilitas fase foton. Interferometer intensitas digunakan untuk mengukur diameter bintang dengan menggunakan teknik berdasarkan efek Hanbury Brown-Twiss (HBT) dari kumpulan foton."
"Dalam skema kami, kami menggunakan efek yang sama, hanya bagian yang bergantung fase, untuk mengukur sudut pembukaan antara dua bintang, yang sekarang dapat dipisahkan oleh sudut yang cukup besar. Di sisi lain, kata Nomerotski, bintang kedua juga dapat dilihat sebagai sumber foton yang koheren untuk bintang pertama, karena itu terkait dengan proposal Gottesman-Jennewein-Croke.”
Tim saat ini sedang mengembangkan deskripsi fisik, kata Nomerotski, yang akan mencakup kedua opsi tersebut. Ini dapat digeneralisasikan ke beberapa stasiun dan protokol kuantum untuk memproses informasi kuantum dalam lingkungan yang “berisik”.
Untuk menguji konsep mereka, tim membuat versi bench-top dari interferometer dua foton yang menggunakan garis spektral sempit di dua lampu argon (untuk mensimulasikan dua bintang). Seperti yang mereka perkirakan berdasarkan penelitian teoretis sebelumnya, tim mencatat puncak HBT dan korelasi saluran dan mengukur ketergantungannya pada fase foton.
Keuntungan utama dari teknik ini adalah peningkatan resolusi sudut (kemampuan untuk membedakan detail objek) di teleskop. Tapi seperti yang dijelaskan Nomerotski, manfaat jangka panjangnya bisa beragam:
“Mungkin ada banyak peluang ilmiah yang akan mendapat manfaat dari peningkatan substansial dalam presisi astrometrik. Beberapa di antaranya: menguji teori gravitasi dengan pencitraan langsung cakram akresi lubang hitam, paralaks presisi, dan tangga jarak kosmik, memetakan peristiwa pelensaan mikro, planet ekstrasurya, gerakan aneh, materi gelap, dan lain-lain.
“Tentu saja, semua ini cukup berjangka panjang dan akan membutuhkan demonstrasi pembuktian prinsip dan, yang terpenting, sensitivitas yang lebih baik dibandingkan dengan apa yang dapat dicapai sekarang. Perbaikan ini bergantung pada kemajuan dalam pengembangan jaringan kuantum dan pengulang kuantum seperti dalam proposal GJC asli."
"Banyak dari perkembangan ini didorong oleh perusahaan saat ini untuk tujuan yang sama sekali berbeda, dan kemajuan yang baik sedang dibuat sehingga bisa menjadi kenyataan di masa mendatang.”
Proposal interferometri dua foton ini adalah salah satu dari banyak proposal teleskop kuantum dalam beberapa tahun terakhir. Contoh lain termasuk proposal oleh tim MIT untuk menggabungkan interferometri dengan teleportasi kuantum untuk secara drastis meningkatkan resolusi observatorium (tanpa menggunakan cermin yang lebih besar).
Ada juga ide yang lebih baru untuk menggabungkan Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) dan keterikatan pra-distribusi untuk membuat teleskop Virtual Interferometri Dasar Sangat Panjang (VLBI) seukuran planet Bumi.
Teknik kuantum ini memungkinkan pengamatan dalam panjang gelombang yang sebelumnya tidak dapat diakses dan studi yang lebih rinci tentang lubang hitam, planet ekstrasurya, Tata Surya, dan permukaan bintang yang jauh.
Dan ketika upaya untuk mematangkan teknologi di balik komputasi kuantum berlanjut, aplikasi pasti akan berputar ke bidang penelitian lain (seperti astronomi kuantum). Seperti yang ditambahkan Nomerotski:
“Ada berbagai ide konseptual yang menarik di bidang ini, tetapi kebanyakan bersifat teoretis dan oleh karena itu cukup futuristik. Kami percaya bahwa pekerjaan kami adalah salah satu dari sedikit yang mengatasi kesulitan eksperimental dari pendekatan tersebut, dan kami membuat kemajuan yang baik di sana. Beberapa dari kami akan menyelenggarakan lokakarya satu hari, pertemuan pendamping sebelum konferensi Quantum 2.0 di Denver pada bulan Juni untuk melakukan brainstorming ide-ide ini.”
