新量子技術可將黑洞看得更清楚 VLBI科學正在打開全新領域

據澳大利亞麥考瑞大學和新加坡國立大學研究人員近日發布在預印本平臺arxiv.org上的研究論文，一種被稱為受激拉曼絕熱通道(STIRAP)的新量子技術可以增強光學甚長基線干涉測量(VLBI)。這項技術允許量子信息無損耗地傳輸，使VLBI探測到以前無法看到的波長。一旦與下一代儀器集成，這項技術可對黑洞、系外行星、太陽系和遙遠恒星的表面進行更詳細的研究。

過去的十年里，系外行星的研究取得了長足的進步，引力波天文學已經成為一個新的領域，科學家捕捉到了第一批超大質量黑洞的圖像。得益于高靈敏度的儀器以及世界各地天文臺共享數據的能力，與此相關的干涉測量學也取得了進步，VLBI科學正在打開一個全新的領域。

VLBI是指射電天文學中使用的一種特定技術，其中來自天文射電源(黑洞、類星體、脈沖星、恒星形成的星云等)的信號被結合在一起，以創建它們的結構和活動的詳細圖像。簡單來說,VLBI就是把幾個小望遠鏡聯合起來,達到一架大望遠鏡的觀測效果。前不久，VLBI觀測到了銀河系中心黑洞人馬座A*的首張圖像。

但研究人員指出，經典干涉測量仍然受到物理限制的阻礙，包括信息丟失、噪聲，以及所獲得的光通常是量子性質的事實。一旦解決這些限制，VLBI可用于更精細的天文測量。

研究人員表示，克服這些限制的關鍵是使用像STIRAP這樣的量子通信技術。STIRAP包括使用兩個相干光脈沖在兩個適用的量子態之間傳輸光學信息。當應用于VLBI時，它將允許在量子態之間高效和選擇性地進行布居轉移，而不會受到常見的噪聲或損耗問題的影響。

研究人員提出一種更詳細、更準確的干涉測量技術。為了模擬大型光學干涉儀，必須對光進行相干收集和處理，他們建議使用量子糾錯來減少這一過程中由于損失和噪聲造成的誤差。

為了驗證他們的理論，研究小組考慮了兩個相隔很長距離的設施收集天文光線的情景。在“編碼器”階段，信號通過STIRAP技術被捕獲到量子存儲器中，該技術允許入射光相干耦合到原子的非輻射狀態。

從天文光源捕捉到量子狀態的光(消除量子噪聲和信息損失)的能力，將改變干涉測量的游戲規則。此外，這些改進將對天文學的其他領域產生重大影響。它將足夠強大，可拍攝恒星周圍的小行星、太陽系的細節、恒星表面的運動學、吸積盤以及黑洞的潛在細節等。(張佳欣)