2019 áprilisában nemzetközi tudományos szenzáció volt, amikor az Event Horizon Teleszkóp (EHT) a csillagászok régi álmát valóra váltva képet tett közzé egy távoli szupermasszív fekete lyuk árnyékáról. 

Ehhez a képhez a Föld különböző pontjain elhelyezkedő nyolc rádióteleszkóp megfigyeléseire volt szükség. A képeket egy interferometria nevű eljárással ötvözték, az eredmény ahhoz hasonló, mintha egy Föld méretű rádióteleszkóp készítette volna.

A látható fény hullámsávjában működő teleszkópok ilyesmire nem voltak képesek eddig. Az optikai interferometria pár száz méterig volt alkalmazható, de a kvantumfizika segítségével hamarosan akár többszáz kilométerre nőhet ez a távolság és így a teleszkóprendszer elméleti átmérője is.

Nagyobb szem többet lát

A technika alapja a Thomas Yong által 1801-ben felfedezett interferencia, amelynek során egy átlátszatlan felületen két résen juthat át a fény és a túloldalon az egmással találkozó hullámok egy sötét és világos sávokból álló jellegzetes mintát, úgynevezett interferogramot hoznak létre. Az évek során kiderült, hogy ez a minta akkor is létrejön, ha a hullámok nem találkoznak, hanem a fotonok egyenként kelnek át a réseken.

Ha van két teleszkópunk, azok úgy működhetnek mint a két rés, és az interferogramból sok mindent megtudhatunk a fény forrásáról

- magyarázza Jonathan Bland-Hawthorn, a Sydney Egyetem munkatársa, a kvantum merevlemezek ötletét kitaláló csapat vezetője.

Ausztrál csillagászok szerint ehhez egy olyan eszköz kifejlesztésére van szükség, ami tárolja az adott teleszkópba érkező fény fotonjainak kvantumállapotát. Ezeket a kvantum-merevlemezeket (QHD-ket) egy kijelölt helyre szállítanák és tartalmukat összevetve megapnák a minden korábbinál részletesebb képet.

Nem olcsó és nem könnyű

A rádiócsillagászok egy ideje már képesek az EHT-hoz hasonló óriási interferometriai mérésekre. Ennek fő oka, hogy a tecnhikát három fő okból könnyebb rádiófrekvencián alkalmazni, mint optikain. Az első, hogy az antennák olcsóbbak, mint az optikai teleszkópok és a különbség akkor mutatkozik meg leginkább, ha rengeteg antennát telepítenek óriási területen. A második, hogy a távoli égitestek rádiójelei jóval erősebbek a tőlük érkező fényhez képest. A harmadik, hogy a Föld légköre torzítja az optikai fényt.

Ezek a tényezők korlátozták az optikai interferométerek hatékony távolságát. A kaliforniai Mount Wilsonon található CHARA (Center for High Angular Resolution Astronomy) teleszkóp legnagyobb távolsága 330 méter. Az Európai Déli Obszervatórium (ESO) chilei Paranal Obszervatóriuma találhtó GRAVITY interferométere négy darab 8,2 méter átmérőjű teleszkóp adatait egyesíti, amelyek legnagyobb távolsága egymástól 130 méter. 

Az egyik leglenyűgözőbb interferométer a világon az ESO Gravity. Képzeljük el az ESO Gravityt több mint egy kilométeres, három kilométeres vagy ár 10 kilométeres alaptávolsággal

- mutatott rá Bland Hawthorn.

A teleszkópok által begyűjtött fényt jelenleg optikai kábeleken továbbítják, amelyeknél fontos, hogy a fotonok ugyanakkora utat tegyenek meg, amit késleltető hurkokkal oldanak meg - azonban ha túl hosszú utat tesznek meg az optikai kábelben végül elnyelődnek, vagy más módon elenyésznek. Nagyobb távolságok áthidalását drága és bonyolult kvantum-ismétlők beépítése tenné lehetővé.

Egy doboz fénnyel A-ból B-be

Bland-Hawthorn a Sydney Egyetem kvantum technikai munkatársa John Bartholomew és Canberra Egyetem munkatársa Matthew Sellars segítségével kerülné meg a tecnhikai korlátokat.

Az általuk elképzelt kvantum merevlemez alapja egy európiummal kevert ittrium ortoszilikát (Eu:YSO), ami rögzíthetné és abszolút zéróhoz közeli hőmérsékleten elméletben másfél hónapig tárolhatná a fény kvantumállapotát. Laboratóriumi körülmények között jóval szerényebb, hat órás eredményt sikerült elérni 2015-ban, ami elég volt a tudósoknak a vicces gondolatkísérletre, hogy milyen messzire jutnának ennyi idő alatt autópályán, ha az egészet bepakolnák egy személyautó csomagtartójába. 

A 2015-ös kísérlet még nem rögzített fotonállapotot, ez kínai kutatóknak sikerült:  2020 decemberében Csuan-feng Li és kollégái a Kínai Műszaki Egyetemen sikeresen rögzítették és olvasták ki fény kvantumállapotát Eu:YSO kristályból.

Ez utóbbi kvantumszámítógépes fejlesztéshez készült és bár a kínai tudósok nagyon jó ötletnek tartották a csillagászati felhasználást, Bartholomewéknak még ki kell dolgozniuk hogyan élik túl az adatok az út gyorsulását és rázkódását a már említett csomagtartóban.

Ha ez sikerülne Bland-Hawthorne és kollégái megkülönböztethetnék egymástól a Sirius B csillagpáros tagjait, vagy a Tejút közepén található fekete lyuk körül keringő csillagokat, vagy éppen egy távoli galaxis egyes csillagait.

Ez kulcsfontosságú lehet annak megállapításában, hogyan fejlődnek az ilyen nagy struktúrák az idők során a sötét anyag és sötét energia hatására

- mutatott rá Bland-Hawthorn.

(Scientific American)