幾年前，使用射電事件視界望遠鏡（EHT）的研究人員進行了一項非凡的觀測，這仍然是大多數其他天文學家的夢想。EHT 團隊於 2019 年 4 月宣佈，它已成功地為附近星系中超大質量黑洞的陰影成像，方法是將來自分佈在我們星球上的八個不同射電望遠鏡的觀測結果結合起來。這項稱為干涉測量的技術，有效地使 EHT 具有了地球大小望遠鏡的解析度，或區分天空中光源的能力。在光學波長下，哈勃太空望遠鏡和許多其他著名設施拍攝了精美的照片，但今天的光學干涉儀最多隻能組合來自相距數百米的儀器的光。隨著天文學家向量子物理學家尋求幫助，開始連線相距數十甚至數百公里的光學望遠鏡，這種情況可能會發生改變。
這種光學干涉儀將依賴於量子通訊領域的進步，特別是儲存每個望遠鏡收集的光子的精細量子態的裝置的開發。這些裝置被稱為量子硬碟（QHD），將被物理運輸到中心位置，在那裡檢索來自每個望遠鏡的資料並與其他資料組合，以共同揭示有關某些遙遠天體的細節。
這項技術讓人聯想到標誌性的雙縫實驗，該實驗最早由物理學家托馬斯·楊於 1801 年進行，其中光線照射到不透明的屏障上，該屏障上有兩條狹縫，光線可以透過。光線在屏障的另一側重新組合，形成明暗條紋的干涉圖案，也稱為干涉圖。即使單個光子一個接一個地穿過狹縫，這也能奏效：隨著時間的推移，干涉圖案仍然會出現。
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“如果我們有兩臺可以像楊氏雙縫一樣工作的望遠鏡，並且我們能夠在光源（例如天空中的星星）上獲得干涉圖，那麼幹涉圖會告訴您關於光源的很多資訊，”悉尼大學的天文學家喬納森·布蘭德-霍索恩說，他的團隊正在提議使用量子硬碟來建造光學干涉儀。這些儀器有朝一日可以幫助天文學家更精確地測量恆星和星系的大小和固有運動，這對於我們理解宇宙的演化至關重要。
儘管射電天文學家已經建造了令人印象深刻的干涉儀，例如 EHT，但這主要是因為干涉測量在射電頻率下比在光學頻率下更容易實現，這有三個重要原因：首先，射電天線比光學望遠鏡便宜得多，因此可以建造大量的射電天線（以增加訊號收集面積，從而提高靈敏度）並將它們分散開來（以提高解析度）。其次，天文物體會發出強大的無線電波，從而更容易在單個天線上記錄這些訊號以進行後續關聯。然而，光學光源通常要暗得多，實際上非常暗，以至於望遠鏡通常必須一次積累一個光子的天體目標光，從而將干涉變成量子力學現象。第三，地球大氣會扭曲光學光，使望遠鏡幾乎沒有時間在湍流空氣的覆蓋層破壞其相位或相干性之前收集光子。
這些限制限制了光學干涉儀的基線，即任何連線的望遠鏡之間的最長距離。例如，高角解析度天文學中心（CHARA）是由六臺一米光學望遠鏡組成的陣列，在加利福尼亞州威爾遜山天文臺執行，最大基線為 330 米。歐洲南方天文臺的 GRAVITY 干涉儀連線了智利帕拉納爾天文臺的四臺 8.2 米望遠鏡，最大基線為 130 米。“世界上任何型別最令人印象深刻的干涉儀是 ESO Gravity 儀器，”布蘭德-霍索恩說。“現在想象一下 ESO Gravity [基線超過] 一公里、三公里或 10 公里。”
使用傳統光學技術，這些概念仍然難以實現。每個望遠鏡收集的光子必須透過光纖傳送到某個位置才能組合。此外，來自某些望遠鏡的光子可能必須在“延遲線”（通常涉及光纖）中保持暫停狀態，以確保來自所有望遠鏡的光都傳播了相同的距離。如果傳輸線或延遲線變得太長（遠未達到公里級），光子最終會被吸收或散射，從而使干涉成為不可能。
至少，如果沒有量子物理學的幫助，這是不可能的。2011 年，安大略省理論物理外圍研究所的丹尼爾·戈特斯曼和他的同事建議在兩個遙遠的望遠鏡之間放置一個糾纏光子源。光源將一對糾纏光子中的一個傳送到每個望遠鏡，在那裡粒子與從天體目標接收到的另一個光子發生干涉。每個望遠鏡中的干涉測量結果可以被記錄下來，並在以後用於重建干涉圖。儘管這在原則上可能聽起來很簡單，但光學干涉測量的更長基線將需要量子中繼器，這是一種昂貴且複雜的定製裝置，用於在遠距離分佈糾纏，與現成的技術截然相反。
現在，布蘭德-霍索恩與悉尼大學的量子技術專家約翰·巴塞洛繆和堪培拉澳大利亞國立大學的馬修·塞拉斯合作，設計光學干涉儀，以避免使用糾纏光子和量子中繼器。基本思想很簡單：考慮兩臺相距數十公里的八米望遠鏡。每個望遠鏡收集的光子的量子態（意味著光振幅和相位隨時間的變化）儲存在量子硬碟中。天文學家會將這些 QHD（透過公路、鐵路或航空）物理運輸到一個位置，在那裡量子態將被讀取併發生干涉，從而生成干涉圖。
巴塞洛繆和他的同事一直在合作研究 QHD，有一天可以用來建造這樣的干涉儀。2015 年，該小組認為，光子態可以儲存在摻銪原矽酸釔（或更簡單地說，Eu:YSO）晶體中某些離子的核自旋態中。巴塞洛繆說，理論上，在保持在零下兩開爾文的寒冷溫度下的晶體中，自旋態應保持相干長達一個半月。在他的團隊進行的實驗室演示中，他的團隊取得了一個更適度但仍然令人印象深刻的結果，表明它可以使自旋態相干保持六個小時。“我們過去常常開玩笑說，把儲存系統放在豐田卡羅拉的後座上，然後開車下高速公路，”他說。“你可以走很遠的路。”
但是 2015 年的實驗並沒有將光子態儲存在自旋態中並在以後檢索它們。它僅僅證明了自旋態可以保持相干數小時。在 2020 年 12 月的一份預印本研究中，中國科學技術大學的李傳鋒和他的同事報告說，他們使用 Eu:YSO 晶體儲存光子的相干態，並在一個小時後檢索它們，透過干涉實驗驗證了它們的保真度。“透過 QHD 連線遙遠的光學望遠鏡是一個好主意，”李說。“使用我們正在研究的基於 Eu:YSO 的量子儲存器這樣做應該是可行的。QHD 可以透過卡車和直升機運輸。”
柏林自由大學的量子物理學家諾拉·蒂施勒沒有參與任何這項工作，她也對使用 QHD 構建光學干涉儀的想法印象深刻。“即使該提案在技術上要求很高，但值得注意的是，它可以利用已經（獨立地）存在的開發和努力，”她說。“量子界正在努力最佳化量子儲存器，作為構建未來量子網路的一部分。” 這些儲存器可以構成量子硬碟的基礎。
巴塞洛繆說，下一步是確保 QHD 在運輸過程中遇到的振動和加速度下具有彈性。“需要表徵這些力對量子儲存的影響，”他說。“但樂觀的原因是，這些核自旋態對這些型別的擾動非常不敏感。”
即使如此，也不能保證該技術會取得實際成功。而且它有一個競爭對手。2019 年，現任荷蘭代爾夫特理工大學的約翰內斯·博雷加德和他的同事透過設計一種壓縮望遠鏡接收到的資訊的方法，改進了戈特斯曼 2011 年的解決方案，僅保留相關的光子並丟棄其餘的光子。如果望遠鏡接收到的資訊沒有首先被壓縮，那麼這將需要與少得多的糾纏光子對進行互動，而糾纏光子對很難以干涉測量所需的速率產生。即使經過壓縮，更長的基線仍然需要量子中繼器。博雷加德說，目前尚不清楚是 QHD 還是糾纏光子和量子中繼器的組合將首先解決光學干涉測量的問題。“兩者都具有挑戰性，”他說。
即使方程的量子方面可以解決，密歇根大學光學和紅外干涉測量專家天文學家約翰·莫尼耶仍然持謹慎態度。基線越來越長的光學干涉儀將觀測更小更暗的天體，這意味著單位時間內光子更少。為了對抗大氣的不利影響，天文學家始終可以選擇非常昂貴的方案，即製造更大的望遠鏡，或者選擇極其昂貴的方案，即將望遠鏡送入太空，那裡根本沒有大氣。或者，他們可以使用自適應光學，這涉及使用天空中靠近被觀測恆星或星系的明亮參考物體的光來校正大氣模糊效應。但與射電天文學中發光光源相對豐富不同，在光學波長中，“要找到一個靠近您想研究的物體的明亮物體非常罕見，”莫尼耶說。
未來，基線較大的光學干涉儀也可能採用當今單個望遠鏡使用的那種自適應光學技術，這涉及發射強大的雷射器以在天空中建立人工參考星或導引星。但今天的雷射導引星不適合基線為數十公里的干涉儀。莫尼耶說，鑑於這些限制，建造光學干涉儀需要的不僅僅是 QHD。“[QHD] 可能是未來非常有趣的一部分，未來還包括某種用於干涉儀或大型望遠鏡的新型雷射導引星。”
布蘭德-霍索恩說，如果未來真的實現了，光學天文學的新時代將會開啟，特別是對於使用分別在夏威夷和智利建造的 30 米和 39 米望遠鏡的干涉儀而言。
布蘭德-霍索恩還設想能夠將天狼星 B 等白矮星和雙星系統分解為它們的組成恆星，更精確地測量恆星的大小及其在天空中的固有速度（也稱為自行），並更精細地分辨圍繞我們銀河系中心黑洞運動的恆星。“追蹤黑洞周圍的恆星將使我們能夠以新的方式探測廣義相對論，”布蘭德-霍索恩說。
在銀河系之外，他認為，由 QHD 連線的 40 米級望遠鏡將分辨出直至室女座星系團的星系中的恆星，並測量這些星系的自行。“最後這個實驗對於研究由於潛在的暗物質和暗能量的出現，大規模結構如何隨宇宙時間演化具有關鍵意義，”布蘭德-霍索恩說。