在浩瀚的宇宙中，詳細(xì)觀察黑洞如何吞噬一顆恒星，是一個(gè)看似不可能的任務(wù)，但在不久的將來或許就能實(shí)現(xiàn)。澳大利亞國立大學(xué)（The Australian National University）副教授馬修?塞拉斯 （Matthew Silas）團(tuán)隊(duì)提出，希望利用各地之間的望遠(yuǎn)鏡傳送光子，再通過目前正準(zhǔn)備開發(fā)的量子存儲設(shè)備（量子 U 盤）進(jìn)行光學(xué)干擾或合并來創(chuàng)造更高分辨的宇宙圖像。

理論上，建造規(guī)模更寬的鏡面就可以看到更清晰的宇宙圖像，因此天文學(xué)家不斷研發(fā)更大更寬的天文望遠(yuǎn)鏡，希望借此洞察到更多的宇宙細(xì)節(jié)。不過，洛厄爾天文臺（Lowell Observatory）的天文學(xué)家麗莎?普拉托（Lisa Prato）對此表示：“我們不會建 10 米的單孔徑望遠(yuǎn)鏡。那太瘋狂了！未來的重點(diǎn)將是干涉儀” 。

距離代表鏡像，跟地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡

其實(shí)，射電天文學(xué)科學(xué)家研究干涉測量已有幾十年之久。2019 年人類史上第一張黑洞照片誕生，其距離地球 5500 萬光年，黑洞照片就是通過同步世界各地的望遠(yuǎn)鏡信號制造而成。

這些望遠(yuǎn)鏡由南極、智利、墨西哥、法國、美國、西班牙等 8 處獨(dú)立的天文望遠(yuǎn)鏡組成觀測列陣，天文望遠(yuǎn)鏡們橫跨地球 7000 公里左右，望遠(yuǎn)鏡的點(diǎn)與點(diǎn)列陣直徑與地球直徑相差無幾，它們彼此串聯(lián)起來時(shí)，彼此之間的距離就像望遠(yuǎn)鏡的鏡面一樣，這也是為何 “事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）” 被稱為 “跟地球一樣大的望遠(yuǎn)鏡”。

把光保存到望遠(yuǎn)鏡里

因?yàn)闊o線電波波長較大，所以相對易于排列。每個(gè)獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡可將自己精確存儲的數(shù)據(jù)通過無線電波彼此縫合在一起。但是對于光學(xué)干涉來說，這要困難許多。

由于可見光波長僅在數(shù)百納米，所以它們抵達(dá)不同望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間將更難把將更難把握。另外，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡如何將粒子信號保存到普通硬盤中還不丟失干涉測量中的重要信息，也是目前科學(xué)團(tuán)隊(duì)研究的方向。

在早前 2019 年，就有天文學(xué)家通過將光纖與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡彼此串聯(lián)進(jìn)行管理，此方法導(dǎo)致對戲外系行星的首次直接觀測，但該方法極其費(fèi)力并且昂貴。加州光學(xué)干涉陣列 CHARA 陣列的負(fù)責(zé)人西奧?布魯梅拉爾（Theo Brummelaar）說道，“如果有一種用某種量子裝置在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上記錄光子事件的方法，那對探索宇宙將大有收益。”

在已知的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，光子穿過兩條縫隙在另一側(cè)會進(jìn)行自身干涉。科學(xué)家團(tuán)隊(duì)希望利用望遠(yuǎn)鏡傳送光子，再通過目前正準(zhǔn)備開發(fā)的量子存儲設(shè)備（量子 U 盤）進(jìn)行光學(xué)干擾或合并來創(chuàng)造更高分辨的宇宙圖像。

楊氏雙縫干涉

在 arXiv 論文預(yù)印本平臺中，馬修?塞拉斯提議，利用量子 U 盤進(jìn)行光學(xué)干涉測量。該提議的原理可追溯到 19 世紀(jì)英國物理學(xué)家托馬斯?楊（Thomas Young）的一場著名實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光線穿過隔板上兩條緊密分開的縫隙，映射到后面的是規(guī)則且明亮的帶狀圖像。托馬斯?楊認(rèn)為，出現(xiàn)這種干涉圖像是因?yàn)楣獠ㄍㄟ^裂縫相互抵消，并在不同的位置相加，故此該實(shí)驗(yàn)被稱為楊氏雙縫干涉。在后來的研究中，量子物理科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，如果一次向縫隙發(fā)射一個(gè)光子，雙縫干涉圖像仍會存在。但是，如果監(jiān)視每個(gè)光子通過那個(gè)縫隙，干涉圖像就會消失。可見，粒子只有在不被干擾的情況下才呈波狀。

科學(xué)家提出，如果把兩條縫隙換成兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡。浩瀚宇宙的單個(gè)光子射向地球時(shí)，它很可能會撞到任何一個(gè)望遠(yuǎn)鏡（縫隙）。在實(shí)驗(yàn)這點(diǎn)之前（參照楊氏雙縫），光子是同時(shí)一起加入兩者的波。

對此，科學(xué)家建議在望遠(yuǎn)鏡上植入量子 U 盤，該 U 盤可以記錄和存儲射入光子的波狀態(tài)而不干擾它們。過段時(shí)間后，再把 U 盤運(yùn)輸?shù)綍蓴_信號以創(chuàng)建高清晰高分辨圖像的地方。

用 U 盤保存量子數(shù)據(jù)

值得一提的是，前不久，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的李傳鋒、周宗權(quán)研究組，演示了將光子數(shù)據(jù)保存到類似（量子 U 盤）設(shè)備中，然后再讀取出來。周宗權(quán)說：“看到量子信息技術(shù)對天文學(xué)很有用，這真是令人激動和驚奇?！?今年 4 月，該成果發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）。

不過也有不同聲音，來自哈佛大學(xué)的量子學(xué)專家米哈伊爾?盧金（Mikhail Lukin）說：“如果想要這些技術(shù)變得更加實(shí)際，它們需要一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)”。米哈伊爾?盧金表示，通過量子互聯(lián)網(wǎng)之間傳送光子而不干擾其狀態(tài)，而不是用物理方式運(yùn)輸量子 U 盤。

對此，本次提案者之一的悉尼大學(xué)的巴塞洛繆（Bartholomew）則認(rèn)為：“我們有充分的理由對量子 U 盤持樂觀態(tài)度。我認(rèn)為，在未來五到十年內(nèi)，將會看到試驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)際用在真正的天文資源上。相比之下，量子互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)離現(xiàn)實(shí)還有幾十年”。

原文標(biāo)題：楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)把光子存入U(xiǎn)盤，創(chuàng)造高分辨率的宇宙圖像

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