几年前，使用射电事件视界望远镜（EHT）的研究人员进行了一项非凡的观测，这仍然是大多数其他天文学家的梦想。EHT 团队于 2019 年 4 月宣布，它已成功地为附近星系中超大质量黑洞的阴影成像，方法是将来自分布在我们星球上的八个不同射电望远镜的观测结果结合起来。这项称为干涉测量的技术，有效地使 EHT 具有了地球大小望远镜的分辨率，或区分天空中光源的能力。在光学波长下，哈勃太空望远镜和许多其他著名设施拍摄了精美的照片，但今天的光学干涉仪最多只能组合来自相距数百米的仪器的光。随着天文学家向量子物理学家寻求帮助，开始连接相距数十甚至数百公里的光学望远镜，这种情况可能会发生改变。
这种光学干涉仪将依赖于量子通信领域的进步，特别是存储每个望远镜收集的光子的精细量子态的设备的开发。这些设备被称为量子硬盘（QHD），将被物理运输到中心位置，在那里检索来自每个望远镜的数据并与其他数据组合，以共同揭示有关某些遥远天体的细节。
这项技术让人联想到标志性的双缝实验，该实验最早由物理学家托马斯·杨于 1801 年进行，其中光线照射到不透明的屏障上，该屏障上有两条狭缝，光线可以通过。光线在屏障的另一侧重新组合，形成明暗条纹的干涉图案，也称为干涉图。即使单个光子一个接一个地穿过狭缝，这也能奏效：随着时间的推移，干涉图案仍然会出现。
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“如果我们有两台可以像杨氏双缝一样工作的望远镜，并且我们能够在光源（例如天空中的星星）上获得干涉图，那么干涉图会告诉您关于光源的很多信息，”悉尼大学的天文学家乔纳森·布兰德-霍索恩说，他的团队正在提议使用量子硬盘来建造光学干涉仪。这些仪器有朝一日可以帮助天文学家更精确地测量恒星和星系的大小和固有运动，这对于我们理解宇宙的演化至关重要。
尽管射电天文学家已经建造了令人印象深刻的干涉仪，例如 EHT，但这主要是因为干涉测量在射电频率下比在光学频率下更容易实现，这有三个重要原因：首先，射电天线比光学望远镜便宜得多，因此可以建造大量的射电天线（以增加信号收集面积，从而提高灵敏度）并将它们分散开来（以提高分辨率）。其次，天文物体会发出强大的无线电波，从而更容易在单个天线上记录这些信号以进行后续关联。然而，光学光源通常要暗得多，实际上非常暗，以至于望远镜通常必须一次积累一个光子的天体目标光，从而将干涉变成量子力学现象。第三，地球大气会扭曲光学光，使望远镜几乎没有时间在湍流空气的覆盖层破坏其相位或相干性之前收集光子。
这些限制限制了光学干涉仪的基线，即任何连接的望远镜之间的最长距离。例如，高角分辨率天文学中心（CHARA）是由六台一米光学望远镜组成的阵列，在加利福尼亚州威尔逊山天文台运行，最大基线为 330 米。欧洲南方天文台的 GRAVITY 干涉仪连接了智利帕拉纳尔天文台的四台 8.2 米望远镜，最大基线为 130 米。“世界上任何类型最令人印象深刻的干涉仪是 ESO Gravity 仪器，”布兰德-霍索恩说。“现在想象一下 ESO Gravity [基线超过] 一公里、三公里或 10 公里。”
使用传统光学技术，这些概念仍然难以实现。每个望远镜收集的光子必须通过光纤发送到某个位置才能组合。此外，来自某些望远镜的光子可能必须在“延迟线”（通常涉及光纤）中保持暂停状态，以确保来自所有望远镜的光都传播了相同的距离。如果传输线或延迟线变得太长（远未达到公里级），光子最终会被吸收或散射，从而使干涉成为不可能。
至少，如果没有量子物理学的帮助，这是不可能的。2011 年，安大略省理论物理外围研究所的丹尼尔·戈特斯曼和他的同事建议在两个遥远的望远镜之间放置一个纠缠光子源。光源将一对纠缠光子中的一个发送到每个望远镜，在那里粒子与从天体目标接收到的另一个光子发生干涉。每个望远镜中的干涉测量结果可以被记录下来，并在以后用于重建干涉图。尽管这在原则上可能听起来很简单，但光学干涉测量的更长基线将需要量子中继器，这是一种昂贵且复杂的定制设备，用于在远距离分布纠缠，与现成的技术截然相反。
现在，布兰德-霍索恩与悉尼大学的量子技术专家约翰·巴塞洛缪和堪培拉澳大利亚国立大学的马修·塞拉斯合作，设计光学干涉仪，以避免使用纠缠光子和量子中继器。基本思想很简单：考虑两台相距数十公里的八米望远镜。每个望远镜收集的光子的量子态（意味着光振幅和相位随时间的变化）存储在量子硬盘中。天文学家会将这些 QHD（通过公路、铁路或航空）物理运输到一个位置，在那里量子态将被读取并发生干涉，从而生成干涉图。
巴塞洛缪和他的同事一直在合作研究 QHD，有一天可以用来建造这样的干涉仪。2015 年，该小组认为，光子态可以存储在掺铕原硅酸钇（或更简单地说，Eu:YSO）晶体中某些离子的核自旋态中。巴塞洛缪说，理论上，在保持在零下两开尔文的寒冷温度下的晶体中，自旋态应保持相干长达一个半月。在他的团队进行的实验室演示中，他的团队取得了一个更适度但仍然令人印象深刻的结果，表明它可以使自旋态相干保持六个小时。“我们过去常常开玩笑说，把存储系统放在丰田卡罗拉的后座上，然后开车下高速公路，”他说。“你可以走很远的路。”
但是 2015 年的实验并没有将光子态存储在自旋态中并在以后检索它们。它仅仅证明了自旋态可以保持相干数小时。在 2020 年 12 月的一份预印本研究中，中国科学技术大学的李传锋和他的同事报告说，他们使用 Eu:YSO 晶体存储光子的相干态，并在一个小时后检索它们，通过干涉实验验证了它们的保真度。“通过 QHD 连接遥远的光学望远镜是一个好主意，”李说。“使用我们正在研究的基于 Eu:YSO 的量子存储器这样做应该是可行的。QHD 可以通过卡车和直升机运输。”
柏林自由大学的量子物理学家诺拉·蒂施勒没有参与任何这项工作，她也对使用 QHD 构建光学干涉仪的想法印象深刻。“即使该提案在技术上要求很高，但值得注意的是，它可以利用已经（独立地）存在的开发和努力，”她说。“量子界正在努力优化量子存储器，作为构建未来量子网络的一部分。” 这些存储器可以构成量子硬盘的基础。
巴塞洛缪说，下一步是确保 QHD 在运输过程中遇到的振动和加速度下具有弹性。“需要表征这些力对量子存储的影响，”他说。“但乐观的原因是，这些核自旋态对这些类型的扰动非常不敏感。”
即使如此，也不能保证该技术会取得实际成功。而且它有一个竞争对手。2019 年，现任荷兰代尔夫特理工大学的约翰内斯·博雷加德和他的同事通过设计一种压缩望远镜接收到的信息的方法，改进了戈特斯曼 2011 年的解决方案，仅保留相关的光子并丢弃其余的光子。如果望远镜接收到的信息没有首先被压缩，那么这将需要与少得多的纠缠光子对进行交互，而纠缠光子对很难以干涉测量所需的速率产生。即使经过压缩，更长的基线仍然需要量子中继器。博雷加德说，目前尚不清楚是 QHD 还是纠缠光子和量子中继器的组合将首先解决光学干涉测量的问题。“两者都具有挑战性，”他说。
即使方程的量子方面可以解决，密歇根大学光学和红外干涉测量专家天文学家约翰·莫尼耶仍然持谨慎态度。基线越来越长的光学干涉仪将观测更小更暗的天体，这意味着单位时间内光子更少。为了对抗大气的不利影响，天文学家始终可以选择非常昂贵的方案，即制造更大的望远镜，或者选择极其昂贵的方案，即将望远镜送入太空，那里根本没有大气。或者，他们可以使用自适应光学，这涉及使用天空中靠近被观测恒星或星系的明亮参考物体的光来校正大气模糊效应。但与射电天文学中发光光源相对丰富不同，在光学波长中，“要找到一个靠近您想研究的物体的明亮物体非常罕见，”莫尼耶说。
未来，基线较大的光学干涉仪也可能采用当今单个望远镜使用的那种自适应光学技术，这涉及发射强大的激光器以在天空中创建人工参考星或导引星。但今天的激光导引星不适合基线为数十公里的干涉仪。莫尼耶说，鉴于这些限制，建造光学干涉仪需要的不仅仅是 QHD。“[QHD] 可能是未来非常有趣的一部分，未来还包括某种用于干涉仪或大型望远镜的新型激光导引星。”
布兰德-霍索恩说，如果未来真的实现了，光学天文学的新时代将会开启，特别是对于使用分别在夏威夷和智利建造的 30 米和 39 米望远镜的干涉仪而言。
布兰德-霍索恩还设想能够将天狼星 B 等白矮星和双星系统分解为它们的组成恒星，更精确地测量恒星的大小及其在天空中的固有速度（也称为自行），并更精细地分辨围绕我们银河系中心黑洞运动的恒星。“追踪黑洞周围的恒星将使我们能够以新的方式探测广义相对论，”布兰德-霍索恩说。
在银河系之外，他认为，由 QHD 连接的 40 米级望远镜将分辨出直至室女座星系团的星系中的恒星，并测量这些星系的自行。“最后这个实验对于研究由于潜在的暗物质和暗能量的出现，大规模结构如何随宇宙时间演化具有关键意义，”布兰德-霍索恩说。