Il y a une révolution en cours dans l'astronomie. En fait, on pourrait dire qu'il y en a plusieurs. Au cours des 10 dernières années, les études sur les exoplanètes ont considérablement progressé, l'astronomie des ondes gravitationnelles est apparue comme un nouveau domaine et les premières images de trous noirs supermassifs (SMBH) ont été capturées. Un domaine connexe, l'interférométrie, a également fait des progrès incroyables grâce à des instruments très sensibles et à la capacité de partager et de combiner les données des observatoires du monde entier. En particulier, la science de l'interférométrie à très longue base (VLBI) ouvre de nouveaux domaines de possibilités.

Selon une étude récente menée par des chercheurs australiens et singapouriens, une nouvelle technique quantique pourrait améliorer le VLBI optique. Il est connu sous le nom de Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), qui permet de transférer des informations quantiques sans pertes. Lorsqu'elle est imprimée dans un code de correction d'erreur quantique, cette technique pourrait permettre des observations VLBI dans des longueurs d'onde auparavant inaccessibles. Une fois intégrée aux instruments de nouvelle génération, cette technique pourrait permettre des études plus détaillées des trous noirs, des exoplanètes, du système solaire et des surfaces d'étoiles lointaines.

La recherche a été dirigée par Zixin Huang, chercheur postdoctoral au Centre for Engineered Quantum Systems (EQuS) de l'Université Macquarie de Sydney, en Australie. Elle a été rejointe par Gavin Brennan, professeur de physique théorique au Département de génie électrique et informatique et au Centre des technologies quantiques de l'Université nationale de Singapour (NUS), et Yingkai Ouyang, chercheur principal au Centre des technologies quantiques. à NUS.

Pour le dire simplement, la technique d'interférométrie consiste à combiner la lumière de plusieurs télescopes pour créer des images d'un objet qui seraient autrement trop difficiles à résoudre. L'interférométrie à très longue base fait référence à une technique spécifique utilisée en radioastronomie où les signaux d'une source radio astronomique (trous noirs, quasars, pulsars, nébuleuses en formation d'étoiles, etc.) sont combinés pour créer des images détaillées de leur structure et de leur activité. Ces dernières années, VLBI a fourni les images les plus détaillées des étoiles qui orbitent autour de Sagitarrius A* (Sgr A*), le SMBH au centre de notre galaxie (voir ci-dessus).

Cela a également permis aux astronomes de la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) de capturer la première image d'un trou noir (M87 *) et de Sgr A * lui-même. Mais comme ils l'ont indiqué dans leur étude, l'interférométrie classique est encore entravée par plusieurs limitations physiques, notamment la perte d'informations, le bruit et le fait que la lumière obtenue est généralement de nature quantique (où les photons sont intriqués). En abordant ces limitations, le VLBI pourrait être utilisé pour des relevés astronomiques beaucoup plus fins. Dit le Dr Huang à l'univers aujourd'hui par e-mail :

"Les grands systèmes d'imagerie de pointe actuels fonctionnent dans la bande des micro-ondes du spectre électromagnétique. Pour réaliser l'interférométrie optique, vous avez besoin que toutes les parties de l'interféromètre soient stables à une fraction d'une longueur d'onde de la lumière, de sorte que le la lumière peut interférer. C'est très difficile à faire sur de grandes distances :les sources de bruit peuvent provenir de l'instrument lui-même, de la dilatation et de la contraction thermiques, des vibrations, etc. ; et en plus de cela, il y a des pertes associées aux éléments optiques. »

"L'idée de cet axe de recherche est de nous permettre de passer dans les fréquences optiques des micro-ondes; ces techniques s'appliquent également à l'infrarouge. On peut déjà faire de l'interférométrie à grande base dans les micro-ondes. Cependant, cette tâche devient très difficile dans les fréquences optiques , car même l'électronique la plus rapide ne peut pas mesurer directement les oscillations du champ électrique à ces fréquences."

Selon le Dr Huang et ses collègues, la clé pour surmonter ces limitations est d'utiliser des techniques de communication quantique comme le passage adiabatique Raman stimulé. STIRAP consiste à utiliser deux impulsions lumineuses cohérentes pour transférer des informations optiques entre deux états quantiques applicables. Lorsqu'il est appliqué au VLBI, a déclaré Huang, il permettra des transferts de population efficaces et sélectifs entre les états quantiques sans souffrir des problèmes habituels de bruit ou de perte.

Comme ils le décrivent dans leur article, "Imaging stars with quantum error correction", le processus qu'ils envisagent impliquerait de coupler de manière cohérente la lumière des étoiles dans des états atomiques "sombres" qui ne rayonnent pas. La prochaine étape, a déclaré Huang, consiste à coupler la lumière à la correction d'erreur quantique (QEC), une technique utilisée en informatique quantique pour protéger les informations quantiques des erreurs dues à la décohérence et à d'autres "bruits quantiques". Mais comme l'indique Huang, cette même technique pourrait permettre une interférométrie plus détaillée et plus précise :

"Pour imiter un grand interféromètre optique, la lumière doit être collectée et traitée de manière cohérente, et nous proposons d'utiliser la correction d'erreur quantique pour atténuer les erreurs dues à la perte et au bruit dans ce processus. La correction d'erreur quantique est un domaine en développement rapide principalement axé sur la mise à l'échelle l'informatique quantique en présence d'erreurs. En combinaison avec l'intrication pré-distribuée, nous pouvons effectuer les opérations qui extraient les informations dont nous avons besoin de la lumière des étoiles tout en supprimant le bruit."

Pour tester leur théorie, l'équipe a envisagé un scénario où deux installations (Alice et Bob) séparées par de longues distances collectent la lumière astronomique. Chacun partage un enchevêtrement pré-distribué et contient des "mémoires quantiques" dans lesquelles la lumière est capturée, et chacun prépare son propre ensemble de données quantiques (qubits) dans un certain code QEC. Les états quantiques reçus sont ensuite imprimés sur un code QEC partagé par un décodeur, qui protège les données des opérations bruyantes ultérieures.

Dans l'étage "encodeur", le signal est capturé dans les mémoires quantiques via la technique STIRAP, qui permet à la lumière entrante d'être couplée de manière cohérente dans un état non radiatif d'un atome. La capacité de capturer la lumière provenant de sources astronomiques qui tiennent compte des états quantiques (et élimine le bruit quantique et la perte d'informations) changerait la donne pour l'interférométrie. De plus, ces améliorations auraient des implications importantes pour d'autres domaines de l'astronomie qui sont également en train de révolutionner aujourd'hui.

"En passant aux fréquences optiques, un tel réseau d'imagerie quantique améliorera la résolution d'imagerie de trois à cinq ordres de grandeur", a déclaré Huang. "Il serait assez puissant pour imager de petites planètes autour d'étoiles proches, des détails des systèmes solaires, la cinématique des surfaces stellaires, des disques d'accrétion et potentiellement des détails autour des horizons d'événements des trous noirs - aucun de ces projets actuellement prévus ne peut résoudre."

Dans un avenir proche, le télescope spatial James Webb (JWST) utilisera sa suite avancée d'instruments d'imagerie infrarouge pour caractériser les atmosphères des exoplanètes comme jamais auparavant. Il en va de même pour les observatoires au sol comme le télescope extrêmement grand (ELT), le télescope géant de Magellan (GMT) et le télescope de trente mètres (TMT). Entre leurs grands miroirs primaires, leurs optiques adaptatives, leurs coronographes et leurs spectromètres, ces observatoires permettront des études d'imagerie directe des exoplanètes, fournissant des informations précieuses sur leurs surfaces et leurs atmosphères.

En tirant parti des nouvelles techniques quantiques et en les intégrant au VLBI, les observatoires disposeront d'un autre moyen de capturer des images de certains des objets les plus inaccessibles et les plus difficiles à voir de notre univers. + Explorer plus loin

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