فناوری کوانتومی در خدمت نجوم؛ گامی به سوی ساخت تلسکوپ‌های مجازی چندکیلومتری

در نگاه نخست شاید تصور شود برای ساخت تلسکوپ‌های قدرتمندتر فقط یک راه وجود دارد: ساخت آینه‌های بزرگ‌تر. اما هرچه تلسکوپ‌ها بزرگ‌تر می‌شوند، ساخت آن‌ها دشوارتر، پرهزینه‌تر و از نظر فنی پیچیده‌تر می‌شود. اکنون گروهی از پژوهشگران نشان داده‌اند که فناوری‌های کوانتومی ممکن است راهی کاملاً متفاوت برای غلبه بر این محدودیت ارائه دهند.

نور ستارگان و کهکشان‌های دوردست پیش از آنکه به آشکارسازهای ما برسد، سفری بسیار طولانی را می‌پیمایند. در این مسیر، بخشی از فوتون‌ها در میان ابرهای غبار و گاز میان‌ستاره‌ای جذب یا پراکنده می‌شوند. آن دسته از فوتون‌هایی هم که به زمین می‌رسند، باید از جو سیاره عبور کنند؛ جایی که بخشی دیگر از آن‌ها از بین می‌رود. سپس نور وارد سامانه اپتیکی تلسکوپ می‌شود و در آنجا نیز مقداری نور از دست می‌رود.

به همین دلیل اخترشناسان همواره تلاش کرده‌اند ابزارهایی بسازند که بتوانند فوتون‌های بیشتری را جمع‌آوری کنند. هرچه تعداد فوتون‌های ثبت‌شده بیشتر باشد، تصویر نهایی روشن‌تر، دقیق‌تر و دارای جزئیات بیشتری خواهد بود. به همین علت، درطول دهه‌های گذشته تلسکوپ‌های نوری بزرگ‌تری ساخته شده‌اند و قطر آینه‌های آن‌ها به ده‌ها متر رسیده است.

با‌این‌حال، ساخت تلسکوپ‌های نوری بزرگ‌تر محدودیت‌های جدی دارد. آینه‌های بسیار بزرگ وزن زیادی دارند، ساخت آن‌ها بسیار پرهزینه است و کوچک‌ترین تغییرات دما یا تغییر شکل مکانیکی می‌تواند عملکرد آن‌ها را مختل کند. درنتیجه، حتی با وجود پیشرفت‌های مهندسی، اندازه تلسکوپ‌های منفرد نمی‌تواند تا بی‌نهایت افزایش یابد.

اخترشناسان سال‌ها پیش راه‌حل متفاوتی برای این مشکل پیدا کردند. آن‌ها به جای ساخت یک تلسکوپ عظیم، تعداد زیادی تلسکوپ کوچک‌تر را در نقاط مختلف مستقر و داده‌های آن‌ها را با دقت بسیار بالا با یکدیگر ترکیب کردند. این روش که تداخل‌سنجی نام دارد، باعث می‌شود مجموعه‌ای از تلسکوپ‌ها مانند تلسکوپی بسیار بزرگ رفتار کند.

به‌نوشته ساینتیفیک آمریکن، یکی از ویژگی‌های مهم تداخل‌سنجی این است که هرچه فاصله میان تلسکوپ‌ها بیشتر باشد، قدرت تفکیک یا وضوح تصویر نیز افزایش پیدا می‌کند. به این فاصله «خط مبنا» گفته می‌شود. به لطف همین روش، اخترشناسان توانسته‌اند شبکه‌هایی از تلسکوپ‌های رادیویی ایجاد کنند که فاصله میان اجزای آن‌ها به اندازه قطر زمین است. چنین سامانه‌هایی در نهایت امکان تهیه نخستین تصاویر از ناحیه اطراف سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را فراهم کردند؛ از جمله تصویربرداری از سایه سیاه‌چاله مرکز کهکشان راه شیری.

اما اجرای همین ایده برای نور مرئی بسیار دشوارتر از امواج رادیویی است. تداخل‌سنج‌های نوری بیش از یک قرن پیش اختراع شدند، اما نور مرئی رفتاری بسیار حساس‌تر از امواج رادیویی دارد. طول موج نور مرئی هزاران بار کوتاه‌تر است و بنابراین کوچک‌ترین خطا در زمان‌بندی یا انتقال سیگنال می‌تواند اطلاعات ارزشمند را از بین ببرد.

افزون‌بر‌این، فوتون‌های نور مرئی هنگام انتقال بین تلسکوپ‌ها به‌راحتی از دست می‌روند. همین موضوع باعث شده است ساخت تداخل‌سنج‌های نوری با فاصله‌های بسیار زیاد میان تلسکوپ‌ها عملاً با مشکلات جدی روبه‌رو شود.

اکنون پژوهشگران معتقدند فناوری کوانتومی ممکن است راه‌حلی برای مشکلِ اتصال مؤثر تلسکوپ‌های نوری در فواصل زیاد و از دست رفتن فوتون‌ها در فرآیند تداخل‌سنجی ارائه دهد. در قلب ایده، سامانه‌هایی به نام حافظه کوانتومی قرار دارد. همان‌طور که حافظه رایانه اطلاعات را ذخیره می‌کند، حافظه کوانتومی نیز می‌تواند اطلاعات کوانتومی فوتون‌ها را برای مدت کوتاهی نگهداری کند تا بعداً پردازش شوند.

میخائیل لوکین، فیزیک‌دان دانشگاه هاروارد که هدایت پژوهش را بر عهده داشته است، می‌گوید این حوزه می‌تواند به یکی از هیجان‌انگیزترین زمینه‌های پژوهشی تبدیل شود، زیرا امکان انجام کارهایی را فراهم می‌کند که با فناوری‌های کلاسیک امکان‌پذیر نیست.

ایده استفاده از شبکه‌های کوانتومی برای بهبود تداخل‌سنجی نوری موضوع جدیدی نیست و از دهه‌ها پیش مطرح شده است. اما مشکل اصلی این بوده که هیچ‌کس نمی‌توانست سامانه‌ای بسازد که فوتون‌های ورودی را با دقت و پایداری کافی دریافت، ذخیره و پردازش کند.

گروه پژوهشی دانشگاه هاروارد حدود دو سال پیش تلاش برای ساخت چنین سامانه‌ای را آغاز کرد. نتیجه این تلاش‌ها اوایل سال جاری در نشست جهانی فیزیک انجمن فیزیک آمریکا ارائه شد. شرح کامل نتایج نیز در ماه فوریه در مجله نیچر منتشر شد.

ماکسیم سیروتین، دانشجوی دکتری مؤسسه فناوری ماساچوست و یکی از اعضای پروژه، می‌گوید هنگامی که پژوهشگران مطمئن شدند حافظه‌های کوانتومی آن‌ها به اندازه کافی عملکرد خوبی دارند، تصمیم گرفتند این فناوری را روی مسئله‌ای واقعی در اخترشناسی آزمایش کنند.

در هر یک از این گیرنده‌ها یک «حافظه کوانتومی» قرار داشت؛ تراشه‌ای بسیار کوچک که از یک الماس مهندسی‌شده ساخته شده بود. دانشمندان در ساختار بلوری الماس به‌طور عمدی یک نقص اتمی ایجاد کرده بودند که «جای‌خالی سیلیکون» (Silicon Vacancy) نام دارد. در این ساختار، یکی از اتم‌های شبکه بلوری حذف شده و یک اتم سیلیکون در نزدیکی آن قرار گرفته است. این نقص ظاهراً کوچک رفتارهای کوانتومی ویژه‌ای ایجاد می‌کند و به تراشه امکان می‌دهد اطلاعاتی را که توسط فوتون‌های نور حمل می‌شوند برای مدت کوتاهی ذخیره و حفظ کند. به همین دلیل این ساختار می‌تواند مانند حافظه‌ای بسیار دقیق عمل کند و نقش مهمی در اتصال تلسکوپ‌ها از طریق فناوری کوانتومی داشته باشد.

این تراشه‌ها اطلاعات فوتون‌ها را به صورت تغییرات در اسپین یک الکترون و یک اتم سیلیکون ذخیره می‌کنند. اسپین نوعی ویژگی بنیادی ذرات زیراتمی است که می‌توان از آن برای ذخیره اطلاعات استفاده کرد. در این سامانه، الکترون و هسته اتم هر کدام نقش یک کیوبیت را ایفا می‌کنند. کیوبیت معادل کوانتومی بیت در رایانه‌های معمولی است، با این تفاوت که می‌تواند هم‌زمان چندین حالت را در خود نگه دارد.

پژوهشگران پیش از اندازه‌گیری سیگنال لیزر، دو تراشه حافظه کوانتومی را از طریق سیگنال‌های نوری درهم‌تنیده کردند. درهم‌تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای است که در آن دو سامانه کوانتومی به شکلی به یکدیگر مرتبط می‌شوند که وضعیت یکی با دیگری ارتباط مستقیم پیدا می‌کند، حتی اگر فاصله زیادی میان آن‌ها وجود داشته باشد.

پس از انجام این کار، پژوهشگران توانستند الگوی تداخلی مشترکی را از هر دو گیرنده استخراج کنند. این نتیجه نشان داد که از نظر اصولی می‌توان به جای نور لیزر، نور واقعی ستارگان را نیز به همین شیوه پردازش کرد.

اگر چنین فناوری‌‌ای روزی در رصدخانه‌های واقعی به کار گرفته شود، دو تلسکوپ کوچک که ۱٫۵ کیلومتر از هم فاصله دارند می‌توانند تصاویری با وضوحی مشابه تلسکوپی منفرد با آینه‌ای به قطر ۱٫۵ کیلومتر تولید کنند. هرچه فاصله میان تلسکوپ‌ها بیشتر شود، قدرت تفکیک تصویر نیز افزایش خواهد یافت و سامانه می‌تواند مانند تلسکوپ مجازی بسیار بزرگ‌تر عمل کند.

سامانه تلسکوپ‌های نوریِ متصل‌شده با فناوری کوانتومی و حافظه‌های کوانتومی می‌تواند کاربردهای مهمی در اخترشناسی داشته باشد. برای مثال، دانشمندان ممکن است بتوانند سیارات فراخورشیدی را با جزئیات بیشتری مشاهده کنند، اندازه و حرکت ستارگان دوردست را با دقت بیشتری اندازه بگیرند یا ساختار اجرام بسیار دور را بهتر بررسی کنند. البته خود پژوهشگران تأکید می‌کنند که استفاده از این فناوری برای رصد مستقیم اجرام آسمانی هنوز در مراحل بسیار ابتدایی قرار دارد و فاصله زیادی تا کاربرد عملی دارد.

میخائیل لوکین نیز می‌گوید این پژوهش فعلاً «اثبات مفهوم» است؛ یعنی امکان‌پذیری ایده از نظر فیزیکی را نشان می‌دهد، اما هنوز برای استفاده در رصدخانه‌های واقعی آماده نیست.

بااین‌حال، پژوهشگران معتقدند فناوری کوانتومی می‌تواند راه را برای نسل جدیدی از تلسکوپ‌های فوق‌دقیق هموار کند؛ تلسکوپ‌هایی که بدون نیاز به آینه‌های غول‌پیکر، وضوحی فراتر از ابزارهای امروزی ارائه خواهند داد.