天文学的世纪 超长基线干涉测量 (VLBI) 科学刚刚获得了一次跃升

天文学的世纪 超长基线干涉测量 (VLBI) 科学刚刚获得了一次跃升

天文学正在发生一场革命。在过去的十年中，系外行星研究取得了长足的进步，引力波天文学已经成为一个新领域，并且捕获了一批超大质量黑洞(SMBH)的图像。

由于高度敏感的仪器以及共享和组合来自全球天文台的数据的能力，相关领域干涉测量也取得了令人难以置信的进步。特别是，超长基线干涉测量 (VLBI) 科学正在开辟全新的可能性领域。

根据澳大利亚和新加坡研究人员最近的一项研究，一种新的量子技术可以增强光学 VLBI。

它被称为受激拉曼绝热通道(STIRAP)，它允许量子信息无损失地传输。

当信息被封装在量子纠错码中时，这种技术可以让 VLBI 观测到以前无法访问的波长。一旦与下一代仪器集成，这项技术就可以对黑洞、系外行星、太阳系和遥远恒星的表面进行更详细的研究。

该研究由澳大利亚悉尼麦考瑞大学工程量子系统中心 (EQuS) 的博士后研究员黄子欣(音) 领导。新加坡国立大学(NUS)电气与计算机工程系和量子技术中心理论物理学教授Gavin Brennan和量子技术中心高级研究员欧阳英凯(音)加入了她的行列。

简而言之，干涉测量技术涉及组合来自各种望远镜的光来创建物体的图像的能力——否则这些图像将难以分辨。

超长基线干涉测量法是指射电天文学中使用的一种特定技术，其中来自天文射电源(黑洞、类星体、脉冲星、恒星形成星云等)的信号被组合以创建其结构和活动的详细图像。

近年来，VLBI 获得了最详细的围绕人马座 A* (Sgr A*) 运行的恒星图像，人马座 A*是我们银河系中心的超级黑洞(SMBH)。它还允许天文学家与事件视界望远镜 (EHT) 合作，捕捉到黑洞 (M87*) 和人马座 A* 本身的图像！

但正如他们在研究中指出的那样，经典干涉测量法仍然受到一些物理限制的阻碍，包括信息丢失、噪声以及所获得的光在本质上通常是量子的(光子纠缠在一起)。突破限制，VLBI 可以用于更精细的天文研究。

黄博士介绍说：“当前最先进的大型基线成像系统在电磁光谱的微波波段运行。要实现光学干涉测量，您需要干涉仪的所有部件的精度都稳定在光波长内。

很难在长距离距离实现这一点：噪声源可能来自仪器本身、热胀冷缩、振动等；最重要的是，还有与光学元件相关的损耗。

“这一方向的想法是让我们从微波进入光学频率；这些技术同样适用于红外线。我们已经可以在微波中进行大基线干涉测量。但是，这项任务在光学频率中变得非常困难，因为即使是最快的电子设备也无法直接测量这些频率下的电场振荡。”

克服这些限制的关键是采用量子通信技术，如受激拉曼绝热通道。STIRAP 使用两个相干光脉冲在两个适用的量子态之间传输光学信息。

黄说，当应用于 VLBI 时，它能让两个量子态之间 *发生* 有效的和有选择的粒子数转移，而不会受到通常的噪声或损失问题的影响。

这是一种用于量子计算的技术，用于保护量子信息免受退相干和其他“量子噪声”引起的错误。同样的技术可以实现更详细和准确的干涉测量。

“为了模拟大型光学干涉仪，必须对光进行相干地收集和处理，我们建议使用量子纠错来减轻此过程中由于损耗和噪声导致的错误。量子纠错是一个快速发展的领域，主要关心在会出现错误的环境中如何实现可扩展的量子计算。结合预分布纠缠，我们可以执行从星光中提取我们需要的信息的操作，同时抑制噪声。”

“它足够强大，可以对附近恒星周围的小行星、太阳系的细节、恒星表面的运动学、吸积盘以及黑洞视界周围的潜在细节进行成像——目前计划中的项目都无法解决这些问题。”

在不久的将来，詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 将使用其先进的红外成像仪器套件以前所未有的方式表征系外行星大气。地面天文台也是如此，例如超大望远镜 (ELT)、巨型麦哲伦望远镜 (GMT) 和三十米望远镜 (TMT)。

在它们的大型主镜、自适应光学器件、日冕仪和光谱仪之间，这些天文台将能够对系外行星进行直接成像研究，从而获得有关其表面和大气的宝贵信息。

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