NASA изобрела wi-fi для космоса: телескопы болтают друг с другом через квантовую запутанность

На снимке телескопа два разных объекта легко превращаются в одну точку. Двойная звезда с большого расстояния сливается в один огонёк. Экзопланета рядом со своей звездой теряется в ослепительном свете. Во всех этих ситуациях упираются в один параметр: угловое разрешение, то есть способность прибора разделять близко расположенные детали.

Самый прямой способ поднять угловое разрешение - увеличить диаметр зеркала. Чем больше зеркало, тем тоньше детали удаётся различить. Но у одиночного телескопа быстро появляется предел: гигантские зеркала трудно изготовить и ещё труднее держать в нужной форме, а стоимость и сроки проекта растут экспоненциально. Поэтому астрономы давно используют интерферометрию с большой базой. Несколько телескопов ставят на расстоянии друг от друга и объединяют свет. При точной настройке система ведёт себя как один телескоп с эффективным диаметром, равным расстоянию между телескопами, поэтому измерения становятся гораздо точнее.

Классическая схема упирается в физику передачи сигнала. Для объединения свет нужно доставить от каждого телескопа к общей оптике. По дороге возникают потери, вибрации, шум среды. Для интерферометрии важны не только фотоны, важна фаза, то есть согласованность колебаний. Любая дрожь или микроскопическое искажение портит ту часть сигнала, которая отвечает за тонкие детали. К моменту встречи лучей часть информации может уже исчезнуть.

И вот недавно команда из NASA Goddard Space Flight Center, Университета Мэриленда и Университета Аризоны предложила обойти эту проблему. Авторы предлагают не передавать лучи по длинным линиям связи. Вместо передачи предлагается объединять информацию через квантовую запутанность.

В такой постановке свет интересен не только как волна, которая рисует изображение, но и как носитель информации. Тогда главный вопрос звучит так: какой максимум информации можно извлечь из слабого сигнала, если использовать измерения, разрешённые квантовой физикой. Квантовая теория информации показывает, что удачно выбранная стратегия измерений иногда вытягивает больше деталей из того же потока фотонов.

Один из ключевых приёмов называют сортировкой пространственных мод. Свет, попадая в телескоп, состоит не из одного однородного пятна. Пучок содержит разные пространственные компоненты, то есть разные распределения поля по апертуре. Сортировщик разделяет входящий сигнал на такие компоненты и направляет каждую компоненту на отдельный детектор. После этого анализ идёт по набору каналов, а не по одному суммарному пятну, поэтому слабые и тесно расположенные источники различаются лучше.

Теоретические работы показывали, что сочетание сортировки мод и длиннобазовой интерферометрии приближает измерения к пределу, который допускает квантовая механика, например в задаче разделения двух близких звёзд. Но практическая проблема никуда не уходила. После сортировки свет всё равно приходилось физически объединять, а значит, зависимость от длинных оптических линий сохранялась.

Новая схема заменяет оптическое объединение на совместные квантовые измерения. Авторы предлагают задействовать квантовую память, например атомные системы, которые умеют хранить квантовые состояния. Предварительное распределение запутанных состояний между телескопами позволяет выполнить согласованное измерение на расстоянии. Для обмена результатами достаточно обычного классического канала связи, а физическая доставка света между пунктами не нужна.

По смыслу такой подход воспроизводит работу делителя луча в классической интерферометрии. Совместное измерение даёт тот же тип объединённой информации, хотя свет от разных телескопов не встречается в одной точке. При этом схема не ограничивается копированием старых процедур. Предложенная рамка допускает произвольные совместные квантовые измерения по сети, поэтому сеть можно настраивать на наиболее информативный режим, который разрешает квантовая механика.

Команда проверила идею расчётами для реалистичных задач, включая разделение двух очень близких точечных источников. Результаты расчётов показывают: сеть телескопов, где используют квантовую запутанность, в таких задачах даёт более высокое угловое разрешение, чем одиночный телескоп и классическая длиннобазовая интерферометрия на обычной связи.

Ключевые элементы подхода уже демонстрировали в лаборатории. Отдельные группы показывали удалённую запутанность между квантовыми памятью на атомных системах, используя центры кремний-вакансия в алмазе. Такой результат не означает готовую астрономическую систему, но подтверждает реализуемость базовой физики.

Если технологию удастся довести до практики, появится несколько направлений применения. Авторы перечисляют несколько задач, где подход может пригодиться. Сеть сможет точнее определять положение звёздных скоплений, замечать изменения у уже известных объектов при наблюдении околоземного пространства, сравнивать наблюдения с каталогами и помогать в поиске экзопланет. Главная идея формулируется просто: более высокое угловое разрешение может дать не только рост зеркал, но и квантовая связь между телескопами. Такая связь позволит объединять данные, не перегоняя свет по длинным оптическим линиям, где сигнал легко портится.