Uma nova técnica quântica pode mudar a forma como estudamos o universo: WebCuriosos
Há uma revolução em andamento na astronomia. Na verdade, você pode dizer que existem vários. Nos últimos dez anos, os estudos de exoplanetas avançaram consideravelmente, a astronomia de ondas gravitacionais emergiu como um novo campo e as primeiras imagens de buracos negros supermassivos (SMBHs) foram capturadas.
Um campo relacionado, a interferometria, também avançou incrivelmente graças a instrumentos altamente sensíveis e à capacidade de compartilhar e combinar dados de observatórios em todo o mundo. Em particular, a ciência da interferometria de linha de base muito longa (VLBI) está abrindo possibilidades inteiramente novas.
De acordo com um estudo recente realizado por pesquisadores da Austrália e de Cingapura, uma nova técnica quântica poderia melhorar o VLBI óptico. É conhecido como Passagem Adiabática Raman Estimulada (STIRAP), que permite a transferência de informações quânticas sem perdas.
Quando impressa em um código quântico de correção de erros, esta técnica poderia permitir observações VLBI em comprimentos de onda anteriormente inacessíveis. Uma vez integrada com instrumentos de próxima geração, esta técnica poderá permitir estudos mais detalhados de buracos negros, exoplanetas, do Sistema Solar e das superfícies de estrelas distantes.
A pesquisa foi liderada por Zixin Huang, pesquisador de pós-doutorado do Centro de sistemas quânticos projetados (EQuS) na Universidade Macquarie em Sydney, Austrália. Ela foi acompanhada por Gavin Brennan, professor de física teórica do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e do Centro de Tecnologias Quânticas do Universidade Nacional de Singapura (NUS), e Yingkai Ouyang, pesquisador sênior do Centro de Tecnologias Quânticas da NUS.
Para ser mais claro, o interferometria A técnica consiste em combinar a luz de vários telescópios para criar imagens de um objeto que de outra forma seria muito difícil de resolver.
A interferometria de linha de base muito longa refere-se a uma técnica específica usada em radioastronomia onde sinais de uma fonte de rádio astronômica (buracos negros, quasares, pulsares, nebulosas de formação de estrelas, etc.) são combinados para criar imagens detalhadas de sua estrutura e atividade.
Nos últimos anos, o VLBI produziu as imagens mais detalhadas do estrelas que orbitam Sagitário A* (Sgr A*), o SMBH no centro da nossa galáxia. Também permitiu aos astrônomos com o Telescópio Horizonte de Eventos (EHT) Colaboração para capturar o primeira imagem de um buraco negro (M87*) e Sgr A* em si!
Mas, como indicaram no seu estudo, a interferometria clássica ainda é prejudicada por várias limitações físicas, incluindo perda de informação, ruído e o facto de a luz obtida ser geralmente de natureza quântica (onde os fotões estão emaranhados). Ao abordar essas limitações, o VLBI poderia ser usado para pesquisas astronômicas muito mais refinadas.
Disse o Dr. uma fração de um comprimento de onda de luz, então a luz pode interferir.
Isto é muito difícil de fazer em grandes distâncias: fontes de ruído podem vir do próprio instrumento, expansão e contração térmica, vibração e etc.; e ainda por cima há perdas associadas aos elementos ópticos.
“A ideia desta linha de pesquisa é permitir-nos avançar para as frequências ópticas das microondas; estas técnicas aplicam-se igualmente ao infravermelho. Já podemos fazer interferometria de grande base no microondas. No entanto, esta tarefa torna-se muito difícil em frequências ópticas , porque mesmo a eletrônica mais rápida não consegue medir diretamente as oscilações do campo elétrico nessas frequências.”
A chave para superar essas limitações, dizem o Dr. Huang e seus colegas, é empregar técnicas de comunicação quântica como a Passagem Adiabática Raman Estimulada. STIRAP consiste no uso de dois pulsos de luz coerentes para transferir informações ópticas entre dois estados quânticos aplicáveis.
Quando aplicado ao VLBI, disse Huang, permitirá transferências populacionais eficientes e seletivas entre estados quânticos sem sofrer os problemas habituais de ruído ou perda.
Como eles descrevem em seu artigo (“Imagens de estrelas com correção quântica de erros“), o processo que eles imaginam envolveria o acoplamento coerente da luz das estrelas em estados atômicos “escuros” que não irradiam.
O próximo passo, disse Huang, é acoplar a luz à correção quântica de erros (QEC), uma técnica usada na computação quântica para proteger informações quânticas de erros devido à decoerência e outros “ruídos quânticos”.
Mas, como indica Huang, esta mesma técnica poderia permitir uma interferometria mais detalhada e precisa:
“Para imitar um grande interferômetro óptico, a luz deve ser coletada e processada de forma coerente, e propomos o uso da correção quântica de erros para mitigar erros devido a perdas e ruído neste processo.
“A correção quântica de erros é uma área em rápido desenvolvimento, focada principalmente em permitir a computação quântica escalonável na presença de erros. Em combinação com o emaranhamento pré-distribuído, podemos realizar as operações que extraem as informações que precisamos da luz das estrelas enquanto suprimem o ruído.”
Para testar a sua teoria, a equipa considerou um cenário onde duas instalações (Alice e Bob) separadas por longas distâncias recolhem luz astronómica.
Cada um compartilha um emaranhado pré-distribuído e contém “memórias quânticas” nas quais a luz é capturada, e cada um prepara seu próprio conjunto de dados quânticos (qubits) em algum código QEC. Os estados quânticos recebidos são então impressos em um código QEC compartilhado por um decodificador, que protege os dados de operações ruidosas subsequentes.
No estágio de “codificador”, o sinal é capturado nas memórias quânticas por meio da técnica STIRAP, que permite que a luz que chega seja acoplada de forma coerente a um estado não radiativo de um átomo.
A capacidade de capturar luz de fontes astronômicas que respondem por estados quânticos (e elimina o ruído quântico e a perda de informação) seria uma virada de jogo para a interferometria. Além disso, estas melhorias teriam implicações significativas para outros campos da astronomia que também estão a ser revolucionados hoje.
“Ao passar para frequências ópticas, essa rede de imagens quânticas melhorará a resolução das imagens em três a cinco ordens de magnitude”, disse Huang.
“Seria suficientemente poderoso para obter imagens de pequenos planetas em torno de estrelas próximas, detalhes de sistemas solares, cinemática de superfícies estelares, discos de acreção e, potencialmente, detalhes em torno dos horizontes de eventos de buracos negros – nenhum dos quais os projetos atualmente planeados podem resolver.”
Num futuro próximo, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) usará seu conjunto avançado de instrumentos de imagem infravermelha para caracterizar atmosferas de exoplanetas como nunca antes. O mesmo se aplica a observatórios terrestres como o Telescópio Extremamente Grande (ELT), Telescópio Gigante de Magalhães (GMT), e Telescópio de trinta metros (TMT).
Entre os seus grandes espelhos primários, óptica adaptativa, coronógrafos e espectrómetros, estes observatórios permitirão estudos de imagem directos de exoplanetas, produzindo informações valiosas sobre as suas superfícies e atmosferas.
Ao aproveitar as novas técnicas quânticas e integrá-las ao VLBI, os observatórios terão outra forma de capturar imagens de alguns dos objetos mais inacessíveis e difíceis de ver do nosso Universo. Os segredos que isto poderá revelar serão certamente (da última vez, prometo!) Revolucionários!
Este artigo foi publicado originalmente por Universo hoje. Leia o artigo original.