几年前，使用基于广播的事件Horizo​​ n Telescope（EHT）的研究人员表现出了非凡的观察，这是一个对大多数其他天文学家来说的梦想。EHT团队于2019年4月宣布，它通过组合来自八种不同的无线电望远镜的观察，在附近的星系中成功地成功地成功地成功地在附近的一个星系上的阴影。这种称为干涉测量的技术有效地给出了地球大小的望远镜的分辨率，或者能力区分天空中的来源。在从哈勃太空望远镜和许多其他着名的设施中巩固了华丽图片的光学波长，今天的干涉仪只能将光的光与最多几百米的仪器相结合。这可能被设置为改变，因为天文学家转向量子物理学家有助于开始连接距离彼此几公里的电缆望远镜。

这种光学干涉仪将依赖于量子通信领域的进步，特别是用于存储每台望远镜收集到的光子的精密量子状态的设备的发展。这些设备被称为量子硬盘(qhd)，它们将被物理传输到一个集中的位置，在那里每个望远镜的数据将被取回，并与其他望远镜结合起来，共同揭示某些遥远天体的细节。

该技术使得重点联想到标志性的双缝实验，首先由1801年由物理学家托马斯杨进行，其中光落在不透明的屏障上，该屏障有两个狭缝，可以通过它。光重新结合在屏障的另一侧，产生明亮和暗条纹的干涉图案，也称为干涉图。即使单个光子通过狭缝逐个涓涓细流滴定，也可以运行：随着时间的推移，干扰模式仍然会出现。

“如果我们有两个望远镜,可以表现出像年轻的缝隙,我们能够得到一个光源干涉图,像一颗恒星在天空,干涉图告诉你很多事情的来源,”乔纳森说,天文学家Bland-Hawthorn悉尼大学的,他们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内在运动，这是我们理解宇宙演化的关键因素。

虽然射电天文学家已经建立了令人印象深刻的干涉仪，如EHT，这主要是因为干涉仪在射电比在光学频率更容易实现，在三个重要方面:首先，建造无线电天线比建造光学望远镜便宜，因此可以建造大量的天线(以增加信号收集面积和灵敏度)，并将它们分散(以增加分辨率)。其次，天文物体会发射出强大的无线电波，这使得在单个天线上记录这些信号以便于随后的相关性变得更加简单。然而，光源通常非常非常微弱——事实上，微弱到天文望远镜必须一次收集一个天体目标的光，这样干涉就变成了一种量子力学现象。第三，地球的大气会使光学光线发生扭曲，使得望远镜在上层的湍流破坏光子的相位或相干性之前几乎没有时间收集光子。

这样的限制限制了光学干涉仪的基线，也就是任何连接的望远镜之间的最长距离。例如，高角度分辨率天文学中心(CHARA)是一个由6个1米长的光学望远镜组成的阵列，在加利福尼亚的威尔逊山天文台运行，它拥有330米的最大基线。欧洲南方天文台的重力干涉仪连接着智利帕拉纳天文台的四个8.2米长的望远镜，其最大基线为130米。“世界上最令人印象深刻的干涉仪是ESO重力仪，”布兰德-霍桑说。“现在想象一下ESO重力(基线)超过1公里、3公里或10公里。”

在传统的光学技术中，这样的概念仍然是难以捉摸的。每个望远镜收集到的光子必须通过光纤发送到某个地方，在那里它们可以被组合起来。此外，来自某些望远镜的光子可能必须保持在“延迟线”中，通常包括光纤，以确保所有望远镜发出的光都走了相同的距离。如果传输或延迟线太长——远低于千米尺度——光子最终会被吸收或散射，使得干扰不可能发生。

至少，如果没有量子物理学的帮助，这是不可能的。2011年，安大略省周界理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的丹尼尔•戈特斯曼(Daniel Gottesman)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。这个光源将一对纠缠光子中的一个发送到每个望远镜，在那里这些粒子被制造来干扰从天体目标接收到的另一个光子。每台望远镜的干涉测量可以被记录下来，然后用来重建干涉图。虽然这在原则上听起来很简单，但光学干涉测量的更长的基线需要量子中继器——昂贵而复杂的定制设备，用于在很远的距离上分布缠结，这与现成的技术相反。

现在，布兰德-霍桑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，设计避免使用纠缠光子和量子重复器的光学干涉仪。基本的想法很简单:考虑两个相隔几十公里的8米望远镜。每个望远镜收集到的光子的量子态——也就是光的振幅和相位作为时间的函数——被存储在量子硬盘中。天文学家们将通过公路、铁路或航空的方式将量子密度密度探测器运送到一个地点，在那里量子态将被读出并进行干涉，产生干涉图。

巴塞洛缪和他的同事们一直在一起研究量子点，这一量子点有朝一日可以用于制造这样的干涉仪。2015年，该小组认为光子态可以存储在掺杂铕的正硅酸钇(或者更简单地说，Eu:YSO)晶体中某些离子的核自旋态中。Bartholomew说，理论上，在一个保持在2开尔文低温下的晶体中，自旋态可以保持相干长达一个半月。在一个基于实验室的演示中，他的团队取得了一个较为温和但仍然令人印象深刻的结果，显示它可以使自旋态保持连续6小时。他说:“我们曾经开玩笑说，把记忆系统放在一辆丰田花冠车的后座上，然后在高速公路上行驶。”“你可以走很远。”

但是2015年的实验并没有将光子状态储存在自旋状态中，并在以后取回它们。它仅仅证明了自旋态保持相干数小时。在2020年12月的预印本研究中，中国科学技术大学的李传峰和他的同事报告说，他们使用Eu:YSO晶体来存储光子的相干态，并在一个小时后取回它们，通过干涉实验验证了它们的保真度。“这是一个伟大的想法，通过qhd连接遥远的光学望远镜，”李说。“利用我们正在研究的基于Eu:YSO的量子存储应该是可行的。QHD可以用卡车和直升机运输。”

不参与任何这项工作的自由大学柏林的量子物理学家诺拉Tischler也对使用QHD来构建光学干涉仪的想法也是深刻的。“即使该提议在技术上非常苛刻，值得注意的是，这可以利用已经（且独立地）现有的发展和努力，”她说。“量子界正在努力优化量子记忆作为建立未来量子网络的努力的一部分。”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在运输过程中能够抵抗振动和加速。他说:“这些力量对量子存储的影响需要定性。”“但乐观的理由是，这些核自旋状态对这些类型的扰动非常不敏感。”

即便如此，无法保证技术将是一个实际的成功。它有一个竞争对手。2019年Johannes Borregaard，现在在荷兰代表德尔特理工大学，他的同事通过设计一种压缩望远镜收到的信息来增强Gottesman 2011的解决方案，只能保持相关的光子并丢弃其余的休息。然后，如果不首先压缩，则这将需要与远处缠绕的光子对的相互作用，这难以以干涉测量法所需的速率产生。即使压缩，延长的基线也将保证量子中继器。Borregaard表示尚不清楚QHDS或缠结光子和量子中继器的组合是首先解决光学干涉测量问题的问题。“他们两个都在挑战，”他说。

即使这个等式的量子部分可以被解出来，天文学家、密歇根大学(University of Michigan)光学和红外干涉测量学专家约翰·蒙尼尔(John Monnier)也持谨慎态度。拥有越来越长的基线的光学干涉仪将会观测到更小更模糊的物体，这意味着每单位时间内的光子数量会减少。为了对抗大气的有害影响，天文学家们总是有一个非常昂贵的选择，那就是把望远镜造得更大，或者把望远镜放到完全没有大气的太空中，这是一个非常昂贵的选择。或者，他们可以使用自适应光学，这涉及到使用天空中接近被观测恒星或星系的明亮参考物体的光来校正大气的模糊效果。但与射电天文学不同的是，射电天文学的光波源相对丰富，“在你想要研究的物体附近找到一个明亮的物体是非常罕见的，”Monnier说。

未来可能的是，具有大型基线的光学干涉仪也将采用今天各个望远镜使用的自适应光学器件，这涉及在天空中射击强大的激光以创建人工参考恒星或导灯。但是，今天的激光导向恒星不适合带有数十公里的基线的干涉仪。蒙尼尔说，鉴于这种约束，建筑光学干涉仪将需要超过QHD。“[QHDS]可能是一个非常有趣的未来，也涉及用于干涉仪或大望远镜的某种新的激光导向星。”

如果这个未来成为现实，布兰德-霍桑说，光学天文学的一个全新时代将会开启，特别是分别在夏威夷和智利建造的30米和39米望远镜使用的干涉仪。

Bland-Hawthorn还设想能够解决白矮星如天狼星B和二进制系统到组件的恒星,测量恒星的大小和其内在的速度穿越天空(也称为自行)更精确和决心,在更多的细节,星星在我们银河系中心的黑洞周围移动。“追踪黑洞周围的恒星将使我们能够以新的方式探索广义相对论，”布兰德-霍桑说。

在银河系之外，他认为由qhd连接的40米级望远镜可以分辨出室女座星系团外星系中的恒星，也可以测量出这些星系的适当运动。布兰德-霍桑说:“这个最后的实验对于研究由于潜在的暗物质和暗能量的出现，大尺度结构如何随着宇宙时间演化具有关键意义。”