Pour les astronomes, l’un des plus grands défis consiste à capturer des images d’objets et de phénomènes difficiles à voir à l’aide de télescopes optiques (ou à lumière visible). Ce problème a été largement résolu par l’interférométrie, une technique où plusieurs télescopes recueillent la lumière, qui est ensuite combinée pour créer une image plus complète. Les exemples incluent le télescope Event Horizon, qui s’appuie sur des observatoires du monde entier pour capturer les premières images du trou noir supermassif (SMBH) au centre de la galaxie M87, et de Sagittarius A* au centre de la Voie lactée.
Cela dit, l’interférométrie classique nécessite le maintien de liaisons optiques entre observatoires, ce qui impose des limites et peut entraîner une augmentation drastique des coûts. Dans une étude récente, une équipe d’astrophysiciens et de physiciens théoriques a proposé comment ces limitations pourraient être surmontées en s’appuyant sur la mécanique quantique. Plutôt que de s’appuyer sur des liaisons optiques, ils proposent comment le principe des intrications quantiques pourrait être utilisé pour partager des photons entre observatoires. Cette technique fait partie d’un domaine de recherche en plein essor qui pourrait conduire un jour aux “télescopes quantiques”.
L’étude a été menée par des chercheurs du Brookhaven National Laboratory (BNL) et de l’Université Stony Brook à New York, New York. Un soutien supplémentaire a été fourni par Stephen Vintskevich, physicien théoricien et chercheur indépendant actuellement basé aux Émirats arabes unis. L’article qui décrit leurs découvertes est récemment apparu en ligne et est en cours d’examen pour publication dans la revue scientifique Optique.
Dans l’interférométrie de Michelson classique, un faisceau de lumière est divisé de sorte qu’un faisceau frappe un miroir fixe et l’autre frappe un miroir mobile. Un motif d’interférence est créé lorsque les faisceaux réfléchis sont réunis. Pour les besoins de l’astronomie, les deux faisceaux sont collectés par deux télescopes séparés par une certaine distance (appelée interférométrie de base). Mais malgré son efficacité, l’interférométrie classique est soumise à certaines limites. Andrei Nomerotski, astrophysicien au BNL et co-auteur de l’article, a expliqué à Universe Today par e-mail.
“L’interférométrie est un moyen d’augmenter l’ouverture effective des télescopes et d’améliorer la résolution angulaire ou la précision astrométrique”, a-t-il déclaré. « La principale difficulté ici est de maintenir la stabilité de ce chemin optique avec une très grande précision, qui doit être bien inférieure à la longueur d’onde du photon, pour préserver la phase du photon. Cela limite les lignes de base pratiques à quelques centaines de mètres.
Ces dernières années, les scientifiques ont étudié la possibilité d’utiliser les principes quantiques pour permettre l’astronomie de nouvelle génération. L’idée de base est que les photons pourraient être transférés entre les observatoires sans connexions physiques coûteuses à construire et à entretenir. La clé est de tirer parti de l’intrication quantique, un phénomène où les particules interagissent et partagent le même état quantique – bien qu’elles soient séparées par une distance considérée. Les télescopes quantiques ont été initialement proposés par les chercheurs Daniel Gottesman, Thomas Jennewein et Sarah Croke du Perimeter Institute for Theoretical Physics et de l’Institute for Quantum Computing de l’Université de Waterloo.
L’interféromètre proposé par l’équipe dirigée par BNL emprunte des caractéristiques à la proposition Gottesman-Jennewein-Croke (GJC) et à l’interféromètre d’intensité stellaire Narrabri (NSII). Dit Nomerotski :
“La proposition était d’utiliser une source de photons intriqués et d’employer des corrélations de comptages de photons dans deux stations et, par conséquent, de supprimer en grande partie le problème de la stabilité de la phase des photons. Les interféromètres d’intensité sont utilisés pour mesurer les diamètres des étoiles en utilisant une technique basée sur l’effet Hanbury Brown-Twiss (HBT) du regroupement de photons. Dans notre schéma, nous utilisons le même effet, uniquement sa partie dépendant de la phase, pour mesurer l’angle d’ouverture entre deux étoiles, qui pourraient maintenant être séparées par un angle considérable. D’autre part, a déclaré Nomerotski, la deuxième étoile peut également être considérée comme une source de photons cohérents pour la première étoile, d’où le lien avec la proposition Gottesman-Jennewein-Croke.
L’équipe développe actuellement une description physique, a déclaré Nomerotski, qui inclurait les deux options. Cela pourrait être généralisé à plusieurs stations et protocoles quantiques pour traiter les informations quantiques dans un environnement “bruyant”. Pour tester leur concept, l’équipe a construit une version de table de l’interféromètre à deux photons qui utilisait une raie spectrale étroite dans deux lampes à argon (pour simuler deux étoiles). Comme ils l’avaient prédit sur la base de recherches théoriques antérieures, l’équipe a noté les pics HBT et les corrélations des canaux et a mesuré sa dépendance à la phase photonique.
Le principal avantage de cette technique est l’amélioration de la résolution angulaire (la capacité de discerner les détails des objets) dans les télescopes. Mais comme l’a expliqué Nomerotski, les avantages à long terme pourraient être incommensurables :
« Il pourrait y avoir de multiples opportunités scientifiques qui bénéficieraient d’améliorations substantielles de la précision astrométrique. Pour n’en citer que quelques-unes : test des théories de la gravité par imagerie directe des disques d’accrétion de trous noirs, de la parallaxe de précision et de l’échelle de distance cosmique, cartographie des événements de microlentilles, des exoplanètes, des mouvements particuliers, de la matière noire, etc.
“Bien sûr, tout cela est assez long et nécessitera des démonstrations de preuve de principe et, surtout, une sensibilité améliorée par rapport à ce qui est réalisable actuellement. Ces améliorations reposent sur les progrès du développement des réseaux quantiques et des répéteurs quantiques comme dans la proposition originale du GJC. Une grande partie de ce développement est aujourd’hui impulsé par des entreprises à des fins complètement différentes, et de bons progrès sont en cours pour qu’il puisse devenir une réalité dans un avenir prévisible.
Cette proposition d’interférométrie à deux photons est l’une des nombreuses propositions de télescopes quantiques de ces dernières années. D’autres exemples incluent une proposition d’une équipe du MIT de combiner l’interférométrie avec la téléportation quantique pour augmenter considérablement la résolution des observatoires (sans utiliser de miroirs plus grands). Il y a aussi l’idée plus récente de combiner le passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP) et l’intrication pré-distribuée pour créer un télescope virtuel d’interférométrie à très longue base (VLBI) de la taille de la planète Terre.
Ces techniques quantiques pourraient permettre des observations dans des longueurs d’onde auparavant inaccessibles et des études plus détaillées des trous noirs, des exoplanètes, du système solaire et des surfaces d’étoiles lointaines. Et à mesure que les efforts pour faire mûrir la technologie derrière l’informatique quantique se poursuivent, les applications ne manqueront pas de se propager dans d’autres domaines de recherche (comme l’astronomie quantique). Comme l’a ajouté Nomerotski :
« Il existe une variété d’idées conceptuelles intéressantes dans ce domaine, mais la plupart d’entre elles sont théoriques et, par conséquent, assez futuristes. Nous pensons que notre travail est l’un des rares qui s’attaque aux difficultés expérimentales de l’approche, et nous y avancions bien. Quelques-uns d’entre nous organiseront un atelier d’une journée, une réunion complémentaire avant la conférence Quantum 2.0 à Denver en juin pour réfléchir à ces idées.
Lectures complémentaires : arXiv
