Comment construire un télescope assisté par téléportation

Les grands télescopes font fureur; mieux parce qu'ils collectent plus de lumière et produisent des images à plus haute résolution. Le plus grand télescope optique est actuellement le Gran Telescopio Canarias dans les îles Canaries, qui possède un miroir primaire d'un diamètre de 10,4 mètres.

Celui-ci sera bientôt éclipsé par l'Extremely Large Telescope actuellement en construction au Chili, qui, lorsqu'il sera mis en service en 2024, aura un miroir primaire de près de 40 mètres de diamètre. Il aura également coûté environ 1 milliard de dollars à construire.

Mais il existe un moyen moins coûteux de rendre les télescopes plus grands : construisez un réseau de plus petits et combinez leur lumière à l'aide d'un interféromètre. Le plus puissant d'entre eux est CHARA, situé sur le mont Wilson en Californie. CHARA se compose de six télescopes d'un mètre séparés de manière à leur donner une résolution équivalente à un miroir de 330 mètres.

Cela produit des images de résolution beaucoup plus élevée que n'importe quel télescope conventionnel. En 2013, CHARA a pris les premières images de taches stellaires à la surface d'un autre soleil, Zeta Andromedae, à quelque 180 années-lumière d'ici.

Mais il y a un problème avec les réseaux optiques géants. La lumière collectée à chaque télescope doit être transmise à un interféromètre central qui combine les photons pour créer une image. Cependant, les photons sont inévitablement perdus dans le processus de transmission, ce qui limite considérablement les performances d'imagerie.

En conséquence, CHARA et d'autres réseaux similaires ne peuvent imager que des étoiles brillantes. Et les perspectives de construction de réseaux plus grands semblent sombres.

Entrez Emil Khabiboulline et ses collègues de l'Université Harvard à Cambridge, Massachusetts, qui montrent aujourd'hui comment les étranges lois de la mécanique quantique peuvent aider à résoudre ce problème. Ils disent que les télescopes à assistance quantique pourraient augmenter considérablement la taille maximale de ces réseaux et la résolution des images qu'ils peuvent produire.

Tout d'abord, un peu de contexte. Les physiciens savent depuis longtemps que les particules quantiques créées au même point de l'univers partagent la même existence. Cela crée une connexion entre eux qui survit même lorsqu'ils sont séparés par d'énormes distances. Cette connexion s'appelle l'intrication, et les physiciens l'ont déjà exploitée pour envoyer des informations quantiques à travers l'espace et pour téléporter des particules quantiques d'un endroit à un autre.

La téléportation commence par une paire de particules intriquées, appelez-les A et B. Lorsque l'une de ces particules, A, interagit avec une troisième particule, l'information quantique de cette troisième particule est transmise à travers le lien intriqué vers la particule B, qui prend son identité.

C'est comme si la troisième particule avait voyagé d'un endroit à un autre sans passer par l'espace entre les deux. C'est pourquoi les physiciens appellent cela la téléportation.

C'est ce processus de téléportation que les télescopes à assistance quantique vont exploiter. L'idée, proposée pour la première fois en 2011, est de créer un flux constant de paires intriquées. L'une des paires réside au télescope, tandis que l'autre se déplace vers l'interféromètre central.

Lorsqu'un photon arrive d'une étoile lointaine, il interagit avec l'une de cette paire et est immédiatement téléporté vers l'interféromètre, où il peut créer une image. De cette façon, une image peut être créée sans les pertes qui limitent normalement les performances.

Lorsque cette idée a été proposée pour la première fois en 2011, les physiciens ont immédiatement réalisé qu'elle nécessiterait un grand nombre de paires intriquées, une pour chaque photon entrant. C'est dans la région de 1011 par seconde à CHARA et des ordres de grandeur plus que ce qui est possible avec la technologie actuelle.

Pour cette raison, l'idée d'utiliser des télescopes assistés par téléportation a langui. Jusqu'à maintenant.

La percée que Khabiboulline et ses collègues ont réalisée consiste à déterminer comment les informations quantiques de la lumière des étoiles peuvent être compressées et stockées et comment cela réduit considérablement la quantité d'intrication requise. Le taux nécessaire de distribution de l'enchevêtrement est réduit de plusieurs ordres de grandeur, ce qui ouvre des perspectives réalistes pour l'utilisation de réseaux quantiques à court terme pour l'imagerie à haute résolution, disent-ils.

La technologie qui rend cela possible est la mémoire quantique. Ce sont des dispositifs capables de stocker un état quantique puis de le transmettre. [Cela donne] une réduction exponentielle de la consommation de ressources intriquées, par rapport aux schémas sans mémoire, disent-ils.

Les physiciens ont récemment fait des progrès significatifs dans le développement des mémoires quantiques, motivés par l'idée que ces dispositifs permettront des technologies telles qu'un Internet quantique. Les télescopes quantiques sont nettement plus exigeants en raison du taux requis de particules intriquées. Mais Khabiboulline et ses collègues disent que cela semble maintenant plus pratique.

C'est un travail intéressant qui ouvre une toute nouvelle approche de l'imagerie astronomique. La suggestion est que cela rendra possible un réseau avec une ligne de base dans la région de 30 kilomètres. Cela augmentera considérablement la résolution des images.

Mais en principe, il devrait être possible de construire des réseaux encore bien plus grands, peut-être même le diamètre de la Terre. C'est une perspective passionnante pour les astronomes du futur.

Réf : arxiv.org/abs/1809.03396 : Réseaux de télescopes à assistance quantique

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