Als je telescopen onderling verbindt in enorme netwerken, stuit je op problemen met de beeldscherpte die de klassieke natuurkunde niet kan oplossen. Maar door gebruik te maken van de quantumeigenschappen van sterlicht kunnen astronomen deze beperkingen mogelijk omzeilen.
Dankzij quantumcomputers die hun eigen fouten kunnen detecteren en corrigeren, kunnen we mogelijk telescopen ter grootte van een planeet bouwen. Daarmee kunnen astronomen de beperkingen van huidige telescopen het hoofd bieden, en verre objecten in de ruimte duidelijk in beeld brengen.
Astronomen die beelden van verre sterren en planeten proberen te maken, moeten dat doen met het weinige licht dat hun telescopen bereikt. Ze kunnen de resolutie verhogen door telescopen onderling te verbinden, in wat dan een ‘astronomische interferometer’ heet. Wil je scherpe beelden krijgen van de verste objecten die we kennen, dan zouden die netwerken echter duizenden kilometers moeten overspannen. Op deze schaal werken beeldverscherpende technieken op basis van de klassieke natuurkunde niet langer.
Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier: 'Het duurde 14 jaar voordat ons idee slaagde'
We spraken Nobelprijswinnaar Anne L’Huillier over haar grootste ontdekking en over haar huidige werk.
Quantumfysicus Zixin Huang van de Macquarie-universiteit in Australië en haar collega’s hebben nu ontdekt dat grote interferometers met hulp van quantummethoden licht kunnen verwerken waarbij er effectief één foton tegelijk binnenkomt. Ook kan deze techniek vage beelden scherper maken. De aanpak leunt op een techniek die oorspronkelijk is ontwikkeld voor communicatie tussen quantumcomputers.
Quantumhardeschijf
Astronomen kunnen het ‘quantumkarakter’ van licht vaak negeren, maar wanneer zo weinig licht de telescoop bereikt, gedragen de deeltjes zich niet langer op de klassieke manier, zegt quantumfysicus Daniel Gottesman van de Universiteit van Maryland in de Verenigde Staten, die niet bij het onderzoeksproject betrokken was. ‘Dat betekent dat dit licht echt quantum is, daar kun je gewoon niet omheen’, zegt hij.
Wanneer lichtdeeltjes van sterren de telescopen binnenkomen, dan zou je die kunnen vastleggen op een soort quantumversie van een harde schijf, die bestaat uit speciaal geprepareerde atomen. De specifieke energie en aankomsttijd van de fotonen zorgen er dan voor dat verschillende atomen in verschillende toestanden belanden.
Het licht van een enkele ster dat de interferometer bereikt, is quantummechanisch verstrengeld. Daardoor kunnen de afzonderlijke telescopen fungeren als één grote telescoop zonder dat er gegevens verloren gaan door de dataoverdracht die normaal gesproken nodig is om een afbeelding te creëren.
Gigantische resolutie
Om die informatie vervolgens te verwerken, zouden wetenschappers quantumcomputers met foutcorrectie kunnen gebruiken, die geprogrammeerd zijn fouten tijdens berekeningen op te sporen en te corrigeren. Zou je dit type computer niet gebruiken, dan is het proces kwetsbaar voor storingen en fouten die de uiteindelijke afbeelding beïnvloeden.
Het team van Huang is het eerste dat voorstelt om foutcorrigerende quantumcomputers in te zetten in de astronomie. Hun analyse laat zien dat het mogelijk is scherpe beelden te produceren, zelfs wanneer meer dan 10 procent van de sterrenlichtgegevens aangetast is door storingen.
Dankzij de quantummechanica zou een gigantische telescoop een resolutie kunnen hebben die duizenden keren zo hoog is als welke bestaande of geplande interferometer dan ook.
Obstakels
‘Dit is nou een voorbeeld van een toepassing van quantumtechnologie waarvoor gewoon geen klassieke tegenhanger bestaat’, zegt quantumfysicus Emil Khabiboulline van de Harvard-universiteit in de VS. ‘Hiermee kun je klassieke beperkingen omzeilen.’
Veel van de onderdelen die nodig zijn om een telescoop met het nieuwe systeem te bouwen, zijn al afzonderlijk getest. Er zijn alleen nog wel een paar obstakels. Zo moet je ervoor zorgen dat het voor verre, onderling verbonden telescopen niet te kostbaar is om quantuminformatie uit te wisselen. ‘Er zijn nog veel meer uitdagingen waarmee we aan de slag moeten voordat we werkelijk een apparaat van planeetformaat hebben, maar dit is een goede eerste stap’, zegt Huang.
Een vergelijkbare benadering kan worden gebruikt om verder de ruimte in te kijken en voorheen ontoegankelijke details te ontdekken. Huang bestudeert al hoe we ons begrip kunnen verbeteren van signalen die afkomstig zijn van water of waterstof op planeten buiten het zonnestelsel – mogelijke indicatoren van leven.
