Les télescopes ont parcouru un long chemin au cours des derniers siècles. À partir des appareils relativement modestes construits par des astronomes comme Galileo Galilei et Johannes Kepler, les télescopes ont évolué pour devenir des instruments massifs qui nécessitent une installation entière pour les héberger et une équipe complète et un réseau d'ordinateurs pour les faire fonctionner. Et dans les années à venir, des observatoires beaucoup plus grands seront construits qui peuvent faire encore plus.
Malheureusement, cette tendance vers des instruments de plus en plus grands présente de nombreux inconvénients. Pour commencer, les observatoires de plus en plus grands nécessitent soit des miroirs de plus en plus grands, soit de nombreux télescopes travaillant ensemble, deux perspectives coûteuses. Heureusement, une équipe du MIT a proposé de combiner l'interférométrie avec la téléportation quantique, ce qui pourrait augmenter considérablement la résolution des réseaux sans s'appuyer sur des miroirs plus grands.
Pour faire simple, l'interférométrie est un processus où la lumière est obtenue par plusieurs télescopes plus petits, puis combinée pour reconstruire des images de ce qu'ils ont observé. Ce processus est utilisé par des installations telles que le Very Large Telescope Interferometer (VLTI) au Chili et le Center for High-Angular Resolution Astronomy (CHARA) en Californie.
Le premier s'appuie sur quatre miroirs principaux de 8,2 m (27 pi) et quatre télescopes auxiliaires mobiles de 1,8 m (5,9 pi) - ce qui lui confère une résolution équivalente à un miroir de 140 m (460 pi) - tandis que le second s'appuie sur six miroirs d'un mètre télescope, ce qui lui donne une résolution équivalente à un miroir de 330 m (1083 ft). En bref, l'interférométrie permet aux réseaux de télescopes de produire des images d'une résolution plus élevée que ce qui serait autrement possible.
L'un des inconvénients est que les photons sont inévitablement perdus au cours du processus de transmission. Par conséquent, des tableaux comme le VLTI et CHARA ne peuvent être utilisés que pour visualiser des étoiles brillantes, et la construction de tableaux plus grands pour compenser cela soulève à nouveau la question des coûts. Comme Johannes Borregaard - un boursier postdoctoral au Centre de mathématiques de la théorie quantique de l'Université de Copenhague (QMATH) et co-auteur du document - a déclaré à Space Magazine par e-mail:
«L'un des défis de l'imagerie astronomique est d'obtenir une bonne résolution. La résolution est une mesure de la petite taille des caractéristiques que vous pouvez imager et elle est finalement définie par le rapport entre la longueur d'onde de la lumière que vous collectez et la taille de votre appareil (limite de Rayleigh). Les réseaux de télescopes fonctionnent comme un appareil géant et plus vous agrandissez le réseau, meilleure est la résolution. »
Mais bien sûr, cela a un coût très élevé. Par exemple, le télescope extrêmement grand, actuellement en construction dans le désert d'Atacama au Chili, sera le plus grand télescope optique et proche infrarouge au monde. Lors de sa première proposition en 2012, l'ESO a indiqué que le projet coûterait environ 1 milliard d'euros (1,12 milliard de dollars) sur la base des prix de 2012. Ajusté pour l'inflation, qui s'élève à 1,23 milliard de dollars en 2018, et à environ 1,47 milliard de dollars (en supposant un taux d'inflation de 3%) d'ici 2024 lorsque la construction devrait être terminée.
"En outre, les sources astronomiques ne sont souvent pas très lumineuses dans le régime optique", a ajouté Borregaard. «Bien qu'il existe un certain nombre de techniques classiques de stabilisation pour s'attaquer à la première, la seconde pose un problème fondamental pour le fonctionnement normal des réseaux de télescopes. La technique standard d'enregistrement local de la lumière sur chaque télescope produit trop de bruit pour fonctionner avec des sources de lumière faibles. En conséquence, tous les réseaux de télescopes optiques actuels fonctionnent en combinant la lumière de différents télescopes directement à une seule station de mesure. Le prix à payer est l'atténuation de la lumière transmise à la station de mesure. Cette perte est une limitation sévère pour la construction de très grands réseaux de télescopes dans le régime optique (les réseaux optiques actuels ont des tailles de max. ~ 300 m) et limitera finalement la résolution une fois que des techniques de stabilisation efficaces seront en place. »
Pour cela, l'équipe de Harvard - dirigée par Emil Khabiboulline, un étudiant diplômé au Département de physique de Harvard - suggère de s'appuyer sur la téléportation quantique. En physique quantique, la téléportation décrit le processus par lequel les propriétés des particules sont transportées d'un endroit à un autre via l'intrication quantique. Comme l'explique Borregard, cela permettrait de créer des images sans les pertes rencontrées avec les interféromètres normaux:
«Une observation clé est que l'intrication, propriété de la mécanique quantique, nous permet d'envoyer un état quantique d'un endroit à un autre sans le transmettre physiquement, dans un processus appelé téléportation quantique. Ici, la lumière des télescopes peut être «téléportée» vers la station de mesure, évitant ainsi toute perte de transmission. Cette technique permettrait en principe des tableaux de taille arbitraire en supposant que d'autres défis tels que la stabilisation soient traités. »
Lorsqu'il est utilisé pour le bien des télescopes à assistance quantique, l'idée serait de créer un flux constant de paires enchevêtrées. Alors que l'une des particules appariées résiderait au télescope, l'autre se rendrait à l'interféromètre central. Lorsqu'un photon arrive d'une étoile éloignée, il interagit avec l'une de ces paires et est immédiatement téléporté vers l'interféromètre pour créer une image.
En utilisant cette méthode, des images peuvent être créées avec les pertes rencontrées avec les interféromètres normaux. L'idée a été suggérée pour la première fois en 2011 par Gottesman, Jennewein et Croke de l'Université de Waterloo. À l'époque, eux et d'autres chercheurs ont compris que le concept devrait générer une paire enchevêtrée pour chaque photon entrant, ce qui est de l'ordre de milliers de milliards de paires par seconde.
Ce n'était tout simplement pas possible en utilisant la technologie actuelle; mais grâce aux récents développements dans le domaine de l'informatique quantique et du stockage, cela peut désormais être possible. Comme Borregaard l'a indiqué:
"[W]Nous décrivons comment la lumière peut être compressée en petites mémoires quantiques qui préservent les informations quantiques. Ces mémoires quantiques pourraient être constituées d'atomes qui interagissent avec la lumière. Des techniques de transfert de l'état quantique d'une impulsion lumineuse dans un atome ont déjà été démontrées à plusieurs reprises lors d'expériences. En raison de la compression en mémoire, nous utilisons beaucoup moins de paires enchevêtrées par rapport aux schémas sans mémoire tels que celui de Gottesman et al. Par exemple, pour une étoile de magnitude 10 et une bande passante de mesure de 10 GHz, notre schéma nécessite ~ 200 kHz de taux d'intrication en utilisant une mémoire de 20 qubits au lieu des 10 GHz auparavant. De telles spécifications sont réalisables avec la technologie actuelle et des étoiles plus faibles entraîneraient des économies encore plus importantes avec seulement des mémoires légèrement plus grandes. »
Cette méthode pourrait conduire à des opportunités entièrement nouvelles en matière d'imagerie astronomique. D'une part, cela augmentera considérablement la résolution des images et permettra peut-être aux réseaux d'atteindre des résolutions équivalentes à celles d'un miroir de 30 km. De plus, il pourrait permettre aux astronomes de détecter et d'étudier des exoplanètes en utilisant la technique d'imagerie directe avec des résolutions jusqu'au niveau micro-arseconde.
«Le record actuel est d'environ quelques millisecondes d'arc», a déclaré Borregaard. "Une telle augmentation de la résolution permettra aux astronomes d'accéder à un certain nombre de nouvelles frontières astronomiques allant de la détermination des caractéristiques des systèmes planétaires à l'étude des céphéides et des binaires en interaction. où la stabilisation est moins problématique. Un télescope optique spatial à l'échelle de 10 ^ 4 kilomètres serait en effet très puissant. "
Au cours des prochaines décennies, de nombreux observatoires spatiaux et terrestres de nouvelle génération devraient être construits ou déployés. Déjà, ces instruments devraient offrir une résolution et des capacités considérablement accrues. Avec l'ajout de la technologie à assistance quantique, ces observatoires pourraient même être en mesure de résoudre les mystères de la matière noire et de l'énergie sombre et d'étudier des planètes extra-solaires avec des détails incroyables.
L’étude de l’équipe, «Quantum-Assisted Telescope Arrays», a récemment été publiée en ligne. Outre Khabiboulline et Borregaard, l'étude a été co-écrite par Kristiaan De Greve (boursière postdoctorale de Harvard) et Mikhail Lukin - professeur de physique à Harvard et chef du groupe Lukin au Quantum Optics Laboratory de Harvard.
