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Proponen el uso de discos duros cuánticos para conectar interferométricamente entre sí telescopios ópticos que puedan estar separados decenas, cientos o miles de km entre sí.

Como todos sabemos, la luz puede ser interpretada como ondas electromagnéticas. Así que, si son ondas, sufren difracción cuando esas ondas son reemitidas por los bordes de nuestros sistemas ópticos.

La difracción, por tanto, limita la resolución a la que se pueden observar los objetos. Todo aficionado a la fotografía sabe que a diafragma completamente abierto pueden aparecer aberraciones que limiten la calidad de la imagen y que esto se puede solucionar cerrando un poco el difragma. De este modo, todo objetivo alcanza un máximo de calidad a un diafragma en concreto. Entonces, si lo cerramos más, la difracción se hace más presente y se pierde resolución.

El efecto de la difracción es el que nos limita la resolución a la que podemos ver objetos astronómicos. Por tanto, la difracción y, obviamente, las turbulencias de la atmósfera terrestre, que hacen tililar a las estrellas, limitan nuestra observación del Cosmos.

La resolución en radianes, es decir, el ángulo mínimo con el que podremos distinguir dos objetos astronómicos que estén muy juntos, viene dada por esta ecuación:

R=1,22 λ/d

En donde λ es la longitud de onda de la luz empleada y d es el diámetro del espejo principal. Estas dos variables deben estar en las mismas unidades, por ejemplo, en metros.

La ecuación es igualmente válida para ondas de radio u otras ondas electromagnéticas. La ventaja en radio es que podemos hacer radiotelescopios con un diámetro muy grande. Lo malo es que la longitud de onda en radio es tan grande que difícil compensarla con un gran radiotelescopio.

Sin embargo, la radioasrtronomía se beneficia de que tenemos una electrónica tan rápida que podemos obtener información de la fase de la onda, de tal modo que podemos conectar electrónicamente dos radiotelescopios que estén separados. Así, la famosa d de la ecuación es ahora la distancia entre los dos telescopios o linea de base. Es lo que se llama un interferómetro.

De este modo, podemos conectar dos radiotelescopios en dos sitios opuestos del mundo que funcionen como un radiotelescopio con una d igual al diámetro de la Tierra. Es más, incluso podemos almacenar la información que reciban varios radiotelescopios de un mismo objeto en discos duros y, si la base de tiempos usada es exactamente la misma, hacer como si todos ellos hubieran estado conectados en tiempo real.

Esto es precisamente los que se hizo con el proyecto Event Horizon Telescope (EHT), que en 2019 nos dio la primera imagen de un agujero negro supermasivo en una galaxia cercana.

Lo ideal sería poder hacer esto mismo con luz visible o infrarroja, pues algunos objetos emiten en estas gamas de longitudes de onda principalmente. Como no hay electrónica que pueda seguir la altísima frecuencia de estas ondas, la conexión entre dos telescopios se debe hacer en directo y físicamente con la luz procedente de los dos interfiriendo entre sí. Para ello se utilizan sendas fibras ópticas procedentes de sendos telescopios que tengan exactamente el mismo recorrido.

Pero este método tiene sus limitaciones y la separación no suele mayor de unos pocos cientos de metros. Para superar estas limitaciones, se propone ahora el uso de Mecánica Cuántica, de tal modo que los telescopios ópticos puedan estar separados decenas, cientos o miles de km entre sí. Es lo que sería un interferómetro cuántico. La idea se aprovecha de los avances que se han efectuado últimamente en comunicaciones cuánticas.

La información de los fotones recolectados por cada telescopio se almacenaría en discos duros cuánticos que se transportarían físicamente a una ubicación centralizada donde se recuperarían los datos de cada telescopio y se combinarían para revelar colectivamente detalles sobre algún objeto celeste distante.

Esta técnica recuerda al experimento de la doble rendija en el que la luz incide sobre una barrera opaca que tiene dos rendijas por las que puede pasar. La luz se recombina en el otro lado de la barrera, creando un patrón de interferencia de franjas brillantes y oscuras. Esto funciona incluso si los fotones individuales se filtran a través de las rendijas uno por uno.

«Si tenemos dos telescopios que se pueden hacer para que se comporten como las rendijas de Young y podemos obtener un interferograma en una fuente de luz, como una estrella en el cielo, el interferograma te dice muchas cosas sobre la fuente», dice Jonathan Bland-Hawthorn (Universidad de Sydney)

Bland-Hawthorn y su equipo proponen el uso de discos duros cuánticos para construir interferómetros ópticos. Dichos instrumentos podrían algún día ayudar a los astrónomos a medir los tamaños y movimientos intrínsecos de estrellas y galaxias con mayor precisión, por ejemplo.

Como ya hemos mencionado antes, el problema principal es la atmósfera terrestre. Esta distorsiona la luz óptica, dejando a los telescopios poco tiempo para recolectar los fotones antes de que las capas suprayacentes de aire turbulento interrumpan su fase o coherencia.

Esta y otras restricciones han limitado la longitud de las líneas de base de los interferómetros ópticos, es decir, las separaciones entre los telescopios conectados. Por ejemplo, el CHARA es un conjunto de seis telescopios ópticos de un metro que operan en el Observatorio Monte Wilson (California) y cuenta con una línea de base máxima de 330 metros. El interferómetro GRAVITY, que ESO tiene en el Observatorio Paranal en Chile (foto de cabecera), conecta cuatro telescopios de 8,2 metros y tiene una línea de base máxima de 130 metros.

Los fotones que circulan por la fibras ópticas pueden ser absorbidos o dispersados si la longitud es las fibras es muy larga, por lo que esto limita la longitud de las lineas de base. Por lo que es inimaginable llegar kilómetros de distancia.

Esto puede ser superado gracias a la interferometría cuántica. En 2011, Daniel Gottesman (Perimeter, Canadá) y sus colegas sugirieron colocar una fuente de fotones entrelazados a medio camino entre dos telescopios distantes. La fuente envía uno de un par de fotones entrelazados a cada telescopio, donde se hace que las partículas interfieran con otro fotón recibido de un objetivo celeste. Las mediciones de interferencia en cada telescopio se pueden registrar y luego usar para reconstruir un interferograma.

Sin embargo, eso no es fácil, pues se requerirían repetidores cuánticos, dispositivos caros y complejos hechos a medida para distribuir el entrelazamiento a grandes distancias.

Ahora Bland-Hawthorn se ha asociado con otros expertos para diseñar interferómetros ópticos que eviten el uso de fotones entrelazados y repetidores cuánticos.

La idea básica consiste en almacenar los estados cuánticos de los fotones recogidos por cada telescopio: la amplitud y la fase de la luz en función del tiempo. Esta información se almacena en discos duros cuánticos. Los discos son transportados por carretera y avión a un lugar en donde se leerían y allí se recombinaría la información para generar un interferograma.

Ya en 2015 se propuso que los estados fotónicos podrían almacenarse en los estados de espín nuclear de ciertos iones en un cristal de ortosilicato de itrio dopado con europio. En teoría, en un cristal mantenido a una temperatura de dos kelvin, los estados de spin deberían permanecer coherentes hasta por un mes y medio. Aunque, hasta ahora, los experimentos sólo han logrado mantener coherentes los estados de spin durante pocas horas.

De momento no se ha demostrado que estos discos duros sean resistentes a las vibraciones y aceleraciones que experimentarían durante el transporte. Hay margen para el optimismo, pues estos estados de espín nuclear son muy insensibles a ese tipo de perturbaciones. El siguiente paso a realizar será demostrar físicamente que estos factores no representan limitaciones.

Si al final esta tecnología llega a buen puerto, Bland-Hawthorn dice que se abrirá una era completamente nueva de astronomía óptica, particularmente con interferómetros que utilicen los telescopios de 30 y 39 metros que se están construyendo en Hawai y Chile, respectivamente.

Bland-Hawthorn también prevé que será posible resolver enanas blancas como Sirio B y sistemas binarios en sus estrellas componentes, medir el tamaño de las estrellas y su movimiento propio con mayor precisión y resolución. Además, se podrán observar con mayor detalle las estrellas que se mueven alrededor del agujero negro en nuestro centro galáctico, lo que permitirá, una vez más, poner a prueba la Teoría General de la Relatividad.

También cree que los telescopios de clase 40 metros conectados por esta tecnología podrán resolver las estrellas de galaxias exteriores hasta una distancia equivalente al cúmulo de Virgo. Además, afirma que se podrían medir los movimientos de estas galaxias con alta precisión, lo que sería importante para el estudio de cómo evoluciona en el tiempo la estructura a gran escala debido a la materia oscura y la energía oscura.

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Fuentes y referencias:
Noticia en Scientific American
Preprint en ArXiv.
Foto: ESO.