几年前，研究人员使用基于射电的事件视界望远镜(EHT)进行了一次非凡的观测，这对大多数其他天文学家来说仍然是一个梦想。EHT团队于2019年4月宣布，通过结合遍布地球的8个不同射电望远镜的观测结果，他们成功地拍摄到了附近星系中超大质量黑洞的阴影。这种被称为干涉测量法的技术，有效地赋予了EHT的分辨率，或区分天空中来源的能力，相当于一个地球大小的望远镜。在支撑哈勃太空望远镜和其他许多著名设备的华丽图片的光学波长上，今天的干涉仪最多只能结合来自相距几百米的仪器的光。随着天文学家向量子物理学家寻求帮助，开始连接彼此相距数十公里、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到的光子的微妙量子态的设备的发展。这些被称为量子硬盘驱动器(qhd)的设备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检索，并与其他望远镜结合起来，共同揭示一些遥远天体的细节。

这项技术让人想起了标志性的双缝实验，由物理学家托马斯·杨在1801年首次进行，在这个实验中，光落在一个不透明的屏障上，这个屏障有两条缝，光可以通过。光在屏障的另一侧重新组合，形成了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，这种方法仍然有效:随着时间的推移，干涉图案仍然会出现。

悉尼大学的天文学家乔纳森·布兰德-霍桑(Jonathan Bland-Hawthorn)说:“如果我们有两个望远镜，可以像杨氏缝一样工作，我们就能得到一个光源的干涉图，就像天空中的一颗星星一样，干涉图会告诉你关于光源的很多事情。”他的团队正在提议使用量子硬盘来建造光学干涉仪。有一天，这样的仪器可以帮助天文学家以更高的精度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。

尽管射电天文学家已经建造了令人印象深刻的干涉仪，如EHT，但这主要是因为在三个重要方面，干涉测量法在射电频率上比在光学频率上更容易实现:首先，无线电天线比光学望远镜更便宜，因此可以建造大量的无线电天线(以增加信号收集面积，从而增加灵敏度)，并将它们分开(以提高分辨率)。其次，天文物体会发射强大的无线电波，这使得在单个天线上记录这些信号以进行后续关联变得更加简单。然而，光源通常是非常非常微弱的——事实上，如此微弱，以至于望远镜经常必须一次收集天体目标的光，实际上是一个光子，将干涉变成量子力学现象。第三，地球的大气层会扭曲光学光线，使得望远镜几乎没有时间在上面的湍流空气层破坏光子的相位或相干性之前收集光子。

这样的限制限制了光学干涉仪的基线——也就是说，所有连接的望远镜之间的最长距离。例如，加州威尔逊山天文台的高角分辨率天文中心(CHARA)是一个由6个1米光学望远镜组成的阵列，它的最大基线为330米。欧洲南方天文台的重力干涉仪连接了智利帕拉纳尔天文台的四个8.2米望远镜，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。”

使用传统光学技术，这样的概念仍然难以捉摸。每台望远镜收集到的光子必须通过光纤发送到某个可以组合的位置。此外，来自一些望远镜的光子可能必须在“延迟线”中保持暂停状态，通常涉及光纤，以确保来自所有望远镜的光传播了相同的距离。如果传输线或延迟线太长(远不到千米尺度)，光子最终会被吸收或散射，使干扰变得不可能。

至少，如果没有量子物理学的帮助，这是不可能的。2011年，安大略周长理论物理研究所的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。源向每个望远镜发送一对纠缠光子中的一个，在那里，粒子被用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都可以被记录下来，然后用来重建干涉图。虽然这在原理上听起来很简单，但更长的光学干涉测量基线将需要量子中继器——昂贵而复杂的定制设备，用于长距离分布纠缠，这是现成技术的对立面。

现在，Bland-Hawthorn与悉尼大学的量子技术专家John Bartholomew和堪培拉的澳大利亚国立大学的Matthew Sellars合作，设计了一种避免使用纠缠光子和量子重复器的光学干涉仪。基本思路很简单:假设两个8米长的望远镜相隔几十公里。每个望远镜收集到的光子的量子态——即光的振幅和相位作为时间的函数——被存储在量子硬盘中。天文学家将通过公路、铁路或航空将这些量子态物理运输到一个地方，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hd，有朝一日可以用来建造这样一个干涉仪。2015年，该小组认为，光子态可以存储在掺杂铕的正硅酸盐钇(或更简单地说，Eu:YSO)晶体中某些离子的核自旋态中。Bartholomew说，理论上，在一个晶体中，保持在2开尔文的低温下，自旋态可以保持一个半月的相干性。在一个基于实验室的演示中，他的团队取得了一个更温和但仍然令人印象深刻的结果，表明它可以保持自旋状态连续6个小时。他说:“我们曾经开玩笑说，把记忆系统放在丰田花冠的后面，然后在高速公路上行驶。”“你可以去很远的地方。”

但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在数小时内保持一致。在2020年12月的预印本研究中，中国科学技术大学的李传锋和他的同事报告了使用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。“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的量子存储器应该是可行的。QHD可以用卡车和直升机运输。”

柏林自由大学(Free University Berlin)的量子物理学家诺拉·蒂施勒(Nora Tischler)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。她说:“尽管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(并且独立地)存在的开发和努力。”“量子学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。

Bartholomew说，下一步是确保qhd能够抵御它们在运输过程中经历的振动和加速度。“这些力对量子存储的影响需要被描述，”他说。“但乐观的原因是，这些核自旋态对这类扰动非常不敏感。”

即便如此，也不能保证这项技术会取得实际成功。而且它还有一个竞争对手。2019年，荷兰代尔夫特理工大学的Johannes Borregaard和他的同事通过设计一种方法来压缩望远镜接收到的信息，只保留相关的光子，丢弃其余的光子，增强了Gottesman 2011年的解决方案。这将需要与更少的纠缠光子对相互作用，如果望远镜传入的信息没有首先被压缩，就很难以干涉测量所必需的速率产生纠缠光子对。即使压缩，更长的基线仍然可以保证量子中继器。Borregaard说，目前还不清楚qhd或纠缠光子和量子中继器的组合是否会首先解决光学干涉测量的问题。他说:“两者都很有挑战性。”

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计量学专家、天文学家约翰·莫尼耶(John Monnier)也很谨慎。具有越来越长的基线的光学干涉仪将观测到更小、更微弱的物体，这意味着单位时间内的光子更少。为了对抗大气的有害影响，天文学家总是有非常昂贵的选择，要么把望远镜做得更大，要么把它们放在完全没有大气的太空中，这是非常昂贵的选择。或者，他们可以使用自适应光学，这包括使用一个明亮的参考物体的光，该物体在天空中接近被观察的恒星或星系，以纠正大气的模糊效应。但与射电天文学不同的是，在光学波长上，光源相对丰富，“找到一个明亮的物体(接近)你想研究的任何东西都是非常罕见的，”Monnier说。

有可能在未来，具有大基线的光学干涉仪也将采用今天单个望远镜使用的自适应光学系统，即发射强大的激光在天空中创造人造参考星或引导星。但是现在的激光导引星并不适合基线几十公里的干涉仪。Monnier说，考虑到这些限制，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，它还涉及干涉仪或大型望远镜的某种新型激光引导星。”

布兰德-霍桑说，如果这样的未来成为现实，一个全新的光学天文学时代将会开启，特别是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。

布兰德-霍桑还设想能够将白矮星如天狼星B和双星系统分解成它们的组成恒星，以更高的精度测量恒星的大小和它们在天空中的固有速度(也称为固有运动)，并更详细地解决恒星围绕银河系中心黑洞运动的问题。布兰德-霍桑说:“跟踪黑洞周围的恒星将使我们以新的方式探索广义相对论。”

在银河系之外，他认为由qhd连接的40米级望远镜将分辨出室女座星系团之外的星系中的恒星，并测量这些星系的适当运动。布兰德-霍桑说:“最后一个实验对研究大尺度结构如何随着宇宙时间的推移而演变具有关键意义，这是由于潜在的暗物质和暗能量的出现。”