Há uma revolução em andamento na astronomia. Na verdade, você pode dizer que existem vários. Nos últimos 10 anos, os estudos de exoplanetas avançaram consideravelmente, a astronomia de ondas gravitacionais surgiu como um novo campo e as primeiras imagens de buracos negros supermassivos (SMBHs) foram capturadas. Um campo relacionado, a interferometria, também avançou incrivelmente graças a instrumentos altamente sensíveis e à capacidade de compartilhar e combinar dados de observatórios em todo o mundo. Em particular, a ciência da interferometria de linha de base muito longa (VLBI) está abrindo novos campos de possibilidades.
De acordo com um estudo recente de pesquisadores da Austrália e Cingapura, uma nova técnica quântica poderia aprimorar o VLBI óptico. É conhecido como Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), que permite que informações quânticas sejam transferidas sem perdas. Quando impressa em um código de correção de erro quântico, essa técnica pode permitir observações VLBI em comprimentos de onda anteriormente inacessíveis. Uma vez integrada com instrumentos de próxima geração, esta técnica pode permitir estudos mais detalhados de buracos negros, exoplanetas, o Sistema Solar e as superfícies de estrelas distantes.

A pesquisa foi liderada por Zixin Huang, pesquisador de pós-doutorado do Centro de Sistemas Quânticos de Engenharia (EQuS) da Universidade Macquarie em Sydney, Austrália. Ela foi acompanhada por Gavin Brennan, professor de física teórica do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e do Centro de Tecnologias Quânticas da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), e Yingkai Ouyang, pesquisador sênior do Centro de Tecnologias Quânticas. no NUS.

Para colocá-lo claramente, a técnica de interferometria consiste em combinar a luz de vários telescópios para criar imagens de um objeto que de outra forma seria muito difícil de resolver. A interferometria de linha de base muito longa refere-se a uma técnica específica usada em radioastronomia onde os sinais de uma fonte de rádio astronômica (buracos negros, quasares, pulsares, nebulosas formadoras de estrelas, etc.) são combinados para criar imagens detalhadas de sua estrutura e atividade. Nos últimos anos, o VLBI produziu as imagens mais detalhadas das estrelas que orbitam Sagitário A* (Sgr A*), a SMBH no centro da nossa galáxia (veja acima).

Também permitiu que os astrônomos da Colaboração Event Horizon Telescope (EHT) capturassem a primeira imagem de um buraco negro (M87*) e do próprio Sgr A*. Mas, como indicaram em seu estudo, a interferometria clássica ainda é prejudicada por várias limitações físicas, incluindo perda de informação, ruído e o fato de a luz obtida ser geralmente de natureza quântica (onde os fótons são emaranhados). Ao abordar essas limitações, o VLBI pode ser usado para pesquisas astronômicas muito mais refinadas. Disse o Dr. Huang ao universo Hoje por e-mail:

"Os atuais sistemas de imagem de grande linha de base de última geração operam na faixa de micro-ondas do espectro eletromagnético. A luz pode interferir. Isso é muito difícil de fazer a grandes distâncias:as fontes de ruído podem vir do próprio instrumento, expansão e contração térmica, vibração e etc., e ainda por cima, há perdas associadas aos elementos ópticos."

"A ideia dessa linha de pesquisa é nos permitir avançar para as frequências ópticas das micro-ondas; essas técnicas se aplicam igualmente ao infravermelho. Já podemos fazer interferometria de linha de base grande no micro-ondas. No entanto, essa tarefa se torna muito difícil em frequências ópticas , porque mesmo os eletrônicos mais rápidos não podem medir diretamente as oscilações do campo elétrico nessas frequências."

A chave para superar essas limitações, diz o Dr. Huang e seus colegas, é empregar técnicas de comunicação quântica como a Passagem Adiabática Raman Estimulada. STIRAP consiste em usar dois pulsos de luz coerentes para transferir informações ópticas entre dois estados quânticos aplicáveis. Quando aplicado ao VLBI, disse Huang, permitirá transferências populacionais eficientes e seletivas entre estados quânticos sem sofrer os problemas usuais de ruído ou perda.

Como eles descrevem em seu artigo, "Imagens de estrelas com correção de erro quântico", o processo que eles imaginam envolveria acoplar coerentemente a luz das estrelas em estados atômicos "escuros" que não irradiam. O próximo passo, disse Huang, é acoplar a luz com a correção de erros quânticos (QEC), uma técnica usada na computação quântica para proteger as informações quânticas de erros devido à decoerência e outros "ruídos quânticos". Mas, como Huang indica, essa mesma técnica pode permitir uma interferometria mais detalhada e precisa:

"Para imitar um grande interferômetro óptico, a luz deve ser coletada e processada de forma coerente, e propomos usar a correção de erros quânticos para mitigar erros devido a perdas e ruídos neste processo. computação quântica na presença de erros. Em combinação com o entrelaçamento pré-distribuído, podemos realizar as operações que extraem as informações que precisamos da luz das estrelas enquanto suprimimos o ruído."

Para testar sua teoria, a equipe considerou um cenário onde duas instalações (Alice e Bob) separadas por longas distâncias coletam luz astronômica. Cada um compartilha emaranhamento pré-distribuído e contém "memórias quânticas" nas quais a luz é capturada, e cada um prepara seu próprio conjunto de dados quânticos (qubits) em algum código QEC. Os estados quânticos recebidos são então impressos em um código QEC compartilhado por um decodificador, que protege os dados de operações ruidosas subsequentes.

No estágio de "codificador", o sinal é capturado nas memórias quânticas por meio da técnica STIRAP, que permite que a luz recebida seja acoplada de forma coerente em um estado não radiativo de um átomo. A capacidade de capturar luz de fontes astronômicas que representam estados quânticos (e elimina ruído quântico e perda de informação) seria um divisor de águas para a interferometria. Além disso, essas melhorias teriam implicações significativas para outros campos da astronomia que também estão sendo revolucionados hoje.

"Ao mudar para frequências ópticas, essa rede de imagens quânticas melhorará a resolução de imagens em três a cinco ordens de magnitude", disse Huang. “Seria poderoso o suficiente para imaginar pequenos planetas em torno de estrelas próximas, detalhes de sistemas solares, cinemática de superfícies estelares, discos de acreção e potencialmente detalhes em torno dos horizontes de eventos de buracos negros – nenhum dos quais projetos atualmente planejados podem resolver.”

Em um futuro próximo, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) usará seu conjunto avançado de instrumentos de imagem infravermelha para caracterizar atmosferas de exoplanetas como nunca antes. O mesmo vale para observatórios terrestres como o Extremely Large Telescope (ELT), o Giant Magellan Telescope (GMT) e o Thirty Meter Telescope (TMT). Entre seus grandes espelhos primários, óptica adaptativa, coronógrafos e espectrômetros, esses observatórios permitirão estudos de imagens diretas de exoplanetas, fornecendo informações valiosas sobre suas superfícies e atmosferas.

Ao aproveitar as novas técnicas quânticas e integrá-las ao VLBI, os observatórios terão outra maneira de capturar imagens de alguns dos objetos mais inacessíveis e difíceis de ver em nosso universo. + Explorar mais

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