Nikt do końca nie jest pewny, kto stoi za wynalezieniem teleskopu, jednakże, wiadomo, że w 1608 r. holenderski twórca okularów Hans Lipperhey, zaprezentował światu nowy instrument wizyjny oparty na soczewkach. Wynalazek sprawił, że odległe obiekty wydawały się znacznie bliższe. Od tego czasu prace nad udoskonaleniem teleskopu ewoluowały i stały się kluczowe dla zmian postrzegania otaczającego nas wszechświata. Teleskopy nie są zarezerwowane jedynie dla naukowców – od wieków były popularnymi narzędziami do obserwacji Księżyca. Sir Lower, używając teleskopu dostarczonego przez Harriota, dokonał szeregu obserwacji Księżyca i zauważył, że jego powierzchnia wyglądała nieregularnie – jak tarta, którą moja kucharka zrobiła mi w zeszłym tygodniu [1]. Na ile dzisiaj są rozwinięte badania dotyczące przestrzeni kosmicznej? Co wspólnego ma Polska z zastosowaniem teleskopów wspomaganych kwantowo?
Very Long Baseline Interferometry (VLBI)
Technika VLBI to zaawansowana metoda obserwacyjna, która polega na łączeniu danych z wielu teleskopów umieszczonych w odległych miejscach. Dzięki temu można uzyskać bardzo wysoką rozdzielczość kątową, co pozwala na dokładne badanie składu chemicznego i fizycznych własności obiektów astronomicznych, takich jak galaktyki, gromady gwiazd, czy też układy planetarne.
W technice VLBI światło emitowane przez obiekt jest zbierane przez co najmniej dwa teleskopy, a następnie sprowadzane do jednego miejsca, gdzie jest przetwarzane. Dzięki temu można uzyskać bardzo precyzyjne mapy obrazowe i spektralne obiektów astronomicznych, które nie byłyby możliwe do uzyskania przez pojedynczy teleskop.
W 2012 roku zaproponowano rewolucyjne rozwiązanie problemu. Daniel Gottesman ze swoim zespołem [3], przedłożył szerokiej publiczności, skupiającej osoby ze świata nauki wykorzystanie splątanych kwantowo cząstek, aby wspomóc technikę VLBI.
Splątanie kwantowe to zjawisko, w którym dwie cząstki są ze sobą tak silnie powiązane, że pomiar jednej z nich natychmiast wpływa na drugą, niezależnie od odległości między nimi. Dzięki temu, cząstki mogą być użyte jako nośniki informacji, które przesyłają informacje o fotonach zbieranych przez teleskopy w sposób o wiele bardziej efektywny niż tradycyjne techniki. [3]
Teleskopia wspomagana kwantowo – czym jest projekt Quantum-Enhanced Telescopy?
Teleskopia wspomagana kwantowo to technologia wykorzystująca zasady mechaniki kwantowej w celu poprawy działania teleskopów. Mechanika kwantowa jest dziedziną fizyki, która opisuje zachowanie się bardzo małych cząstek (takich jak atomy i cząsteczki) w szczególnie precyzyjny sposób). Wykorzystanie tych zasad w teleskopach pozwala na uzyskanie wyższej jakości obrazów kosmicznych obiektów, które emitują niewielką ilość światła w kierunku Ziemi. Zastosowanie systemów detekcji fotonów czy korekcji efektu aberracji w tego rodzaju teleskopach pozwalają zwiększyć czułość i rozdzielczość teleskopów.
Projekt Quantum-Enhanced Telescopy ma charakter współpracy grup eksperymentalnych i teoretycznych z wielu placówek (University of Rochester, Chapman University, University of Illinois w Urbana-Champaign). Celem projektu jest demonstracja eksperymentalna technik telescopii wspomaganej kwantowo oraz teoretyczne rozważania nowych rozwiązań. Na jego rozwój przyznano około 2 000 000 USD (NSF grant 193632). Członkiem zespołu jest Robert Czupryniak, polski doktorant pracujący w grupie prof. Andrew Jordana (University of Rochester).
Polskie osiągnięcie
Podchodzimy do teleskopii w bardzo nietypowy sposób. Zamiast traktować ją w języku optyki, podchodzimy do niej z perspektywy informacji kwantowej. Pokazujemy, jak techniki mające zastosowanie w komputerach kwantowych pozwalają nam lepiej obserwować gwiazdy. Okazuje się, że to podejście jest świetne w przypadku gwiazd emitujących niewiele światła w kierunku Ziemi. Wtedy metody znane z fizyki kwantowej, zwłaszcza splątanie kwantowe, są bardzo pomocne. Pojawiają się jednak pozornie trywialne pytania: czy foton w ogóle przyleciał z gwiazdy? Kiedy to zrobił?
W przypadku badania gwiazdy przy użyciu wielu teleskopów (metoda VLBI) rozwiązanie wydaje się proste. Wydaje się, że można użyć pojedynczych teleskopów do detekcji fotonów; jak dany detektor kliknie, to foton tam przybył z gwiazdy. Jednak takie rozwiązanie jest bezużyteczne, gdy chcemy wiedzieć coś więcej o wyglądzie gwiazdy. Informacja ta jest bezpowrotnie niszczona w momencie obserwacji fotonu. Potrzebujemy innych technik.
Mamy więc dwa konkretnie pytania: Czy i kiedy foton przybył z gwiazdy? Jak gwiazda wygląda? W naszej publikacji odpowiadamy na pierwsze pytanie.
Proponujemy Grę Zegarową (ang. Clock Game) [2] – zadanie sformułowane w języku informatyki kwantowej, które może być wykorzystane do ulepszenia istniejących schematów teleskopów wspomaganych kwantowo. Pokazujemy jak poznać czas dotarcia fotonu z gwiazdy bez zniszczenia informacji, którą ten foton dostarcza o jej strukturze. Demonstrujemy również jak efektywnie wykorzystać splątanie kwantowe do osiągnięcia tych celów.
W przeciwieństwie do poprzednich publikacji, naszą metodę będzie można wykorzystać w jako element bardziej skomplikowanych układach teleskopów wspomaganych kwantową. Odpowiadamy jedynie kiedy foton przyleciał z gwiazdy. Tą informację można wykorzystać do dokładniejszego i prostszego badania wyglądu gwiazdy, co można zrobić różnymi technikami.
Co więcej, naszą Grę Zegarową można będzie stosować w innych dziedzinach związanych z informacją kwantową, nie tylko w teleskopii. Będzie to jednak wymagało dalszych badań
Robert Czupryniak (grupa Prof. Andrew Jordana, University of Rochester)
Naukowy podział
Pytanie – „czy foton w ogóle przyleciał z gwiazdy?” zadali sobie również badacze z grupy Mikhaila Lukina z Uniwersytetu Harvarda. Jednak, rozwiązania obydwu grup naukowych Lukina i Jordana różnią się od siebie. Khabiboulline et al. (grupa Lukina) zakładają, że protokół ma być zrealizowany przy użyciu kubitów [3], publikacja Czupryniak et al. [2] tego nie zakłada. Kwantowe bity, zwane także kubitami, są podstawowymi jednostkami informacji w komputerach kwantowych. Kubit może być reprezentowany przez stan kwantowy dwupoziomowego układu kwantowego, na przykład przez spiny elektronów lub fotony. Kubity można manipulować za pomocą różnych operacji kwantowych (np. rotacje i kontrolowane bramki kwantowe), co umożliwia przetwarzanie informacji w sposób niemożliwy do uzyskania w przypadku klasycznych bitów. Zatem jeśli pojawi się technologia operująca np. na qutritach, to rozwiązanie proponowane przez polskiego naukowca jest sprawniejsze od tego przedstawionego przez grupę z Uniwersytetu Harvarda.
Język informacji kwantowej – przyszłość dla polskiej gospodarki?
Publikacja „Quantum telescopy clock games” nie jest napisana w języku teleskopów i optyki tylko informacji kwantowej. Daje to możliwość potencjalnego zastosowania technologii w innych dziedzinach. Dzięki informatyce kwantowej możliwe jest zabezpieczenie komunikacji między instytucjami rządowymi, które są szczególnie wrażliwe na cyberataki. Informatyka kwantowa może również pomóc w rozwoju innych nowych technologii, na przykład w zakresie przesyłu danych kwantowych, które są bardziej bezpieczne niż tradycyjne metody przesyłu danych. Kto wie, może Polska stanie się liderem w dziedzinie badań nad technologiami kwantowymi? Czy przyciągnie to do nas wykwalifikowaną siłę roboczą? Jedno jest pewne – o technologii usłyszy cały świat.
[1] Roche (2004). „Lower, Sir William (c.1570–1615)”. Oxford Dictionary of National Biography (online ed.), Oxford University Press, Published online: 23 September 2004
[2] Czupryniak, Chitambar, Steinmetz, and Jordan (2022), “Quantum telescopy clock games”, https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.106.032424
[3] Gottesman, Jennewein, and Croke (2012), “Longer-Baseline Telescopes Using Quantum Repeaters”. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.109.070503
[4] Khabiboulline, Borregaard, De Greve, and M. D. Lukin “Optical Interferometry with Quantum Networks” https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.070504
Zuzanna Czernicka
