Los grandes telescopios están de moda. Funcionan mejor porque recogen más luz y producen imágenes de mayor resolución. El telescopio óptico más grande que existe actualmente está en España, se trata del Gran Telescopio Canarias, ubicado en las Islas Canarias, cuyo espejo primario tiene un diámetro de 10,4 metros.

Pero esta maravilla de ingeniería pronto quedará eclipsada por el Telescopio Extremadamente Grande que se está construyendo en Chile con un presupuesto de unos 850 millones de euros. Cuando se ponga en marcha en 2024, tendrá un espejo primario de casi 40 metros de diámetro.

Pero existe una forma más barata de que los telescopios sean aún más grandes: construir un conjunto de pequeños telescopios y combinar la luz que captan con un interferómetro. El resultado es un dispositivo conocido como interferómetro astronómico. El más poderoso que existe es CHARA, ubicado en el Monte Wilson (EE.UU.). Consta de seis telescopios individuales de un metro cada uno, que al combinarse generan una resolución equivalente a la de un espejo de 330 metros de diámetro.

Esta estrategia produce imágenes de mayor resolución que cualquier telescopio convencional. En 2013, CHARA tomó captó por primera vez las manchas estelares en la superficie de otro sol, Zeta Andromedae, a unos 180 años luz de la Tierra.

Pero estos gigantes conjuntos ópticos presentan un problema. La luz recogida en cada telescopio debe llegar hasta el interferómetro central que combina todos los fotones para crear una única imagen. Inevitablemente, este proceso una pérdida de fotones, lo que limita la calidad de la imagen resultante. Esto da lugar a que tanto CHARA como otros conjuntos similares solo puedan captar imágenes de estrellas brillantes. Y la posibilidad de aumentar aún más su escala no es muy alta.

Pero el investigador de la Universidad de Harvard (EE.UU.) Emil Khabiboulline y sus colegas acaban de demostrar que las extrañas leyes de la mecánica cuántica pueden ayudar a resolver este problema. Su investigación asegura que los fenómenos cuánticos podrían aumentar significativamente el tamaño de los interferómetros astronómicos y la resolución de las imágenes que producen.

Primero, algunos antecedentes. Los físicos saben desde hace tiempo que las partículas cuánticas creadas en el mismo punto del universo comparten la misma existencia. Esto crea una conexión entre ellas que sobrevive incluso cuando están separadas por grandes distancias. Esta conexión se denomina entrelazamiento cuántico, y los físicos ya lo han utilizado para enviar información cuántica a través del espacio y teletransportar partículas cuánticas de un lugar a otro (ver Un fotón se teletransporta desde la Tierra al espacio por primera vez). 

El teletransporte comienza con un par de partículas entrelazadas, las partículas A y B. Cuando la partícula A, interactúa con una tercera partícula C, la información cuántica de esta tercera partícula se transmite a través del enlace entrelazado a la partícula B, que se apropia de su identidad. Es como si la partícula C hubiera viajado de una ubicación a otra sin pasar por el espacio intermedio. Es por eso que los físicos lo llaman teletransporte.

Gráfico: esquema de funcionamiento de un telescopio asistido por teletransporte cuántico.

Este es justo el mismo proceso que se quiere emplear en los telescopios. La idea fue propuesta por primera vez en 2011 y consiste en crear un flujo constante de pares de partículas entrelazadas. Una de las partículas de la pareja reside en el telescopio, mientras que la otra viaja al interferómetro central.

Cuando un fotón llega desde una estrella lejana, interactúa con la partícula de la pareja ubicada en el telescopio y, como consecuencia, se teletransporta inmediatamente al interferómetro para crear la imagen. De esta forma, se evitan las pérdidas de fotones que suelen limitar la calidad de la imagen resultante.

Cuando se planteó esta opción en 2011, los físicos se dieron cuenta inmediatamente de que para hacerla realidad harían falta un montón de pares de partículas entrelazadas, una para cada fotón entrante. En el caso de CHARA, eso implica un volumen de partículas en la escala de 10¹¹ (100.000.000.000 pares de partículas) por segundo, una cantidad imposible de conseguir con la tecnología actual.

Por eso, la idea de usar telescopios asistidos por teletransporte cuántico no ha avanzado. Hasta ahora.

El descubrimiento de Khabiboulline y sus colegas consiste en comprimir y almacenar la información cuántica de una luz estelar, un proceso que reduce drásticamente la cantidad de pares entrelazados requeridos. "La tasa de distribución de enlazamiento necesaria se reduce muchísimo, lo que ofrece perspectivas realistas para el uso de redes cuánticas a corto plazo para imágenes de alta resolución", afirma la investigación.

La tecnología clave para lograrlo es la memoria cuántica. Se trata de dispositivos capaces de almacenar un estado cuántico y luego transmitirlo. "[Esto produce] una reducción exponencial en el consumo de partículas entrelazadas, frente a los esquemas que no aplican este tipo de memoria", detalla el artículo.

Las memorias cuánticas han vivido avances importantes en los últimos años, gracias a la idea de que estos dispositivos facilitarán tecnologías como el internet cuántico (ver Internet cuántico: El primer teletransporte a una memoria cuántica en estado sólido). Los telescopios cuánticos son significativamente más exigentes debido a la cantidad requerida de partículas entrelazadas. Pero Khabiboulline y sus colegas creen que ahora esto parece más práctico.

Se trata de un trabajo interesante que ofrece un enfoque completamente nuevo a la captación de imágenes astronómicas. Si todo sale según lo previsto, debería ser posible crear interferómetros astronómicos con una resolución equivalente a la de un espejo primario de 30 kilómetros diámetro. Un dispositivo de este tipo aumentaría muchísimo la calidad de las imágenes resultantes. Pero a nivel teórico, estos dispositivos podrían incluso alcanzar el diámetro de la propia Tierra, una posibilidad apasionante para los astrónomos del futuro.

Ref: arxiv.org/abs/1809.03396: Quantum-Assisted Telescope Arrays