La astronomía está experimentando una revolución. De hecho, podría argumentar que hay varios de ellos. La investigación de exoplanetas ha progresado significativamente en los últimos diez años, la astronomía de ondas gravitacionales se ha desarrollado como un área nueva y se han tomado las primeras fotografías de agujeros negros supermasivos (SMBH).
La interferometría, un tema similar, ha evolucionado enormemente como resultado de sensores muy sensibles y la capacidad de intercambiar e integrar datos de observatorios de todo el mundo. La ciencia de la interferometría de línea de base muy larga (VLBI) en particular está abriendo campos de potencial completamente nuevos.
Según un estudio reciente realizado por investigadores australianos y singapurenses, un nuevo enfoque cuántico podría mejorar el VLBI óptico. STIRAP significa Stimulated Raman Adiabatic Passage, y permite transportar datos cuánticos sin pérdida.
Este enfoque, si se imprime en un código de corrección de errores cuánticos, podría permitir observaciones VLBI en longitudes de onda hasta ahora inobservables. Esta tecnología, cuando se combina con detectores de próxima generación, podría permitir investigaciones más precisas de agujeros negros, exoplanetas, el Sistema Solar y superficies estelares distantes.
Zixin Huang, investigador de investigación postdoctoral en el Centro de Sistemas Cuánticos de Ingeniería (EQuS) de la Universidad de Macquarie en Sydney, Australia, dirigió el estudio. Gavin Brennan, profesor de física teórica en la Universidad Nacional de Singapur (NUSDepartment) de Ingeniería Eléctrica e Informática y el Centro de Tecnologías Cuánticas, y Yingkai Ouyang, investigador principal en el Centro de Tecnologías Cuánticas de la NUS, la acompañaron.
Dicho de otro modo, la interferometría es un método que consiste en combinar la luz de varios telescopios para realizar fotografías de un objeto que de otro modo sería imposible de resolver.
La interferometría de línea de base muy larga es una técnica de radioastronomía que combina señales de fuentes de radio astronómicas (agujeros negros, cuásares, púlsares, nebulosas de formación estelar, etc.) para proporcionar imágenes precisas de su estructura y actividad.
VLBI ha producido las fotografías más completas de las estrellas que giran alrededor de Sagitarrius A* (Sgr A), la SMBH en el corazón de nuestra galaxia, en los últimos años. ¡También permitió que Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration tomara la primera imagen de un agujero negro (M87) y Sgr A*!
Sin embargo, la interferometría clásica todavía se ve obstaculizada por varias restricciones físicas, incluida la pérdida de información, el ruido y el hecho de que la luz recolectada es típicamente de origen cuántico, como señalaron en su trabajo (donde los fotones están entrelazados). VLBI podría utilizarse para estudios astronómicos considerablemente más finos si se abordan estas restricciones.
“Los grandes sistemas de imágenes de referencia de última generación actuales funcionan en la banda de microondas del espectro electromagnético”, dijo el Dr. Huang a Universe Today por correo electrónico. Para lograr la interferometría óptica, todos los componentes del interferómetro deben ser estables dentro de una fracción de longitud de onda de luz, lo que permite que la luz interfiera.
Esto es extremadamente difícil de hacer en largas distancias: las fuentes de ruido incluyen el propio dispositivo, la expansión y contracción térmica, la vibración, etc.; además, hay pérdidas relacionadas con los componentes ópticos.
“El objetivo de esta línea de estudio es permitirnos hacer la transición de las microondas a las frecuencias ópticas; estos enfoques también son aplicables al infrarrojo. En las microondas, ya podemos hacer interferometría de línea de base grande. Sin embargo, en las frecuencias ópticas, incluso las más rápidas la electrónica no puede registrar directamente las oscilaciones del campo eléctrico, lo que hace que esta tarea sea extremadamente difícil”.
Según la Dra. Huang y su equipo, el uso de técnicas de comunicación cuántica como el pasaje adiabático Raman estimulado es la clave para superar estas limitaciones. STIRAP funciona transfiriendo información óptica entre dos estados cuánticos utilizando dos pulsos de luz coherentes.
Según Huang, cuando se usa para VLBI, permitiría transferencias de población eficientes y selectivas entre estados cuánticos sin las dificultades normales de ruido o pérdida.
El mecanismo que prevén implicaría acoplar coherentemente la luz de las estrellas en estados atómicos “negros” que no irradian, como describen en su estudio (“Imágenes de estrellas a través de la corrección de errores cuánticos”).
Según Huang, el siguiente paso es combinar la luz con la corrección de errores cuánticos (QEC), un enfoque de computación cuántica que protege la información cuántica de los errores causados por la decoherencia y otros “ruidos cuánticos”.
Sin embargo, como señala Huang, este mismo enfoque podría permitir una interferometría más precisa y detallada:
“Para simular un enorme interferómetro óptico, la luz debe recolectarse y procesarse de manera coherente, y sugerimos usar la corrección de errores cuánticos para reducir los errores causados por la pérdida y el ruido en este proceso”.
“La corrección de errores cuánticos es un campo de rápido crecimiento cuyo objetivo principal es permitir la computación cuántica escalable frente a los errores”. Podemos recuperar la información que necesitamos de la luz de las estrellas mientras disminuimos el ruido usando entrelazamiento predistribuido junto con él”.
Para poner a prueba su idea, los investigadores imaginaron una situación en la que la luz celestial es captada por dos instalaciones (Alice y Bob) separadas por una gran distancia.
Cada uno tiene un entrelazamiento predistribuido y una “memoria cuántica” en la que queda atrapada la luz, así como su propio conjunto de datos cuánticos (qubits) que convierte en algún código QEC. Un decodificador imprime los estados cuánticos adquiridos en un código QEC común, que protege los datos de futuras operaciones ruidosas.
La señal se registra en la memoria cuántica en el paso “codificador” utilizando la tecnología STIRAP, que permite que la luz entrante se vincule de manera coherente en un estado no radiativo de un átomo.
Sería un cambio de juego para la interferometría poder recolectar luz de fuentes astronómicas que represente los estados cuánticos (y elimine el ruido cuántico y la pérdida de información). Además, estos avances tendrían repercusiones de gran alcance para otras ramas de la astronomía que ahora están experimentando transformaciones.
“Tal red de imágenes cuánticas aumentaría la resolución de imágenes de tres a cinco órdenes de magnitud al cambiar a frecuencias ópticas”, agregó Huang.
“Sería lo suficientemente fuerte como para fotografiar pequeños planetas que orbitan estrellas cercanas, características de los sistemas solares, cinemática de superficies estelares, discos de acreción y quizás detalles que rodean los horizontes de eventos de los agujeros negros, ninguno de los cuales puede resolverse con los programas actuales”.
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) caracterizará las atmósferas de los exoplanetas como nunca antes en un futuro cercano, gracias a su sofisticado conjunto de equipos de imágenes infrarrojas. Los observatorios terrestres como el Extremely Large Telescope (ELT), el Giant Magellan Telescope (GMT) y el Thirty Meter Telescope no son una excepción (TMT).
Estos observatorios permitirán investigaciones de imágenes directas de exoplanetas, revelando información vital sobre sus superficies y atmósferas, gracias a sus enormes espejos principales, óptica adaptativa, coronógrafos y espectrómetros.
Los observatorios tendrán otro medio para obtener fotografías de algunos de los objetos más inaccesibles y difíciles de ver de nuestro Universo mediante la combinación de nuevas técnicas cuánticas con VLBI. ¡Los secretos que esto podría descubrir seguramente serán revolucionarios (¡por última vez, lo juro!)!