Если мы хотим добиться решающих успехов в изучении звёзд, нужно либо строить телескопы совершенно циклопических размеров, либо научиться многократно использовать каждый попадающий в них фотон.

Крупные телескопы — основа наших знаний об окружающей Вселенной, причём основа громоздкая, сложная и недешёвая.

Скажем, Большой Канарский телескоп с первичным зеркалом диаметром в 10,4 м строился семь лет и обошёлся в €130 млн.

Самое печальное, однако, даже не это, а то, что для составления детальной картины хотя бы ближайших к нам звёздных систем нужны куда более крупные инструменты, причём космические. А в космосе, легко догадаться, размещение многотонных циклопических телескопных зеркал обойдётся в копеечку и будет стоить пару Нобелевских за выдающиеся инженерные достижения.

Рис. 1. Большой Канарский телескоп — гигантское сооружение. Впрочем, по сравнению с космическими телескопами относительное дешёвое. Нет ли способа резко поднять разрешающую способность телескопов без дальнейшего роста их размеров и стоимости? (Иллюстрация GCT.)

Почему телескопные зеркала такие огромные? Когда фотон попадает в апертуру телескопа, неопределённость его расположения уменьшается c радиусом этой самой апертуры. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, мы можем знать точно либо координаты фотона в пространстве, либо его импульс. Чем больше апертура, тем выше неопределённость положения фотона по координатам и тем определённее его импульс, а отсюда уже выводится и начальное направление распространения фотона. Следовательно, чем больше неопределённость по координатам, тем выше определённость наблюдаемой картины и ниже дифракционный предел по угловому размеру.

Аглае Келлерер (Aglaé Kellerer) из Даремского университета (Великобритания) задумалась над тем, может ли квантовая механика как-то разорвать жёсткую связь между апертурой и качеством снимков.

На первый взгляд, изменить что-то здесь трудно: куда деть принцип неопределённости? С другой стороны, дело в том, что вышеописанное влияние телескопной апертуры верно для одиночных фотонов. Но что если идентичные, «клонированные» фотоны будут прибывать в апертуру в одно и то же время? И тогда дифракционный предел по угловому размеру должен уменьшаться пропорционально квадратному корню из числа таких «клонов-фотонов». Но как их получить?

Чтобы добиться этого, г-жа Келлерер предлагает применить «неразрушающее измерение» в отношении каждого из фотонов, проходящего через «зрачок» телескопа.

Такое измерение, конечно, не выявит какой-то специфической информации о фотоне, лишь зарегистрирует сам факт его прохождения. А после измерения фотон будет клонирован тем, что ему позволят осуществить «обратное возбуждение» атомов: при взаимодействии с последними фотоны заставят их перейти с более высоких энергетических уровней на более низкие, и в результате атомы-цели спонтанно испустят несколько идентичных фотонов, которые, в свою очередь, будут записаны детекторами, определяющими средний сигнал от таких фотонов.

Рис. 2. Схема предложенного активного телескопа: каждый входящий фотон стимулирует испускание возбуждёнными атомами внутри аппарата своих клонов, при этом пагубный эффект спонтанной эмиссии минимизирован использованием стартового сигнала, который отдаётся после неразрушающего квантового измерения входящего фотона. (Илл. A. Kellerer.)

Как видим, идея выглядит более или менее здраво. Но конкретные технические шаги по её реализации вряд ли могут быть выполнены в ближайшее время. Осознавая это, г-жа Келлерер предлагает эксперимент более скромных масштабов, призванный продемонстрировать принципиальную возможность такого использования квантовой механики для повышения разрешающей способности телескопов.

Опыт, по её словам, может быть проведён в хорошей лаборатории, работающей с квантовой оптикой, вроде той, что существует в Институте квантовой оптики Общества Макса Планка (ФРГ).

Тут, вероятно, стоит заметить, что физик Шигеку Такеучи (Shigeki Takeuchi) из Осакского университета (Япония), впервые продемонстрировавший микроскоп, разрешающая способность которого увеличена с помощью квантового запутывания, называет эту идею «очень интересной».

Отчёт об исследовании появится в журнале Astronomy & Geophysics в июне 2014 года.