การเพิ่มกล้องโทรทรรศน์อวกาศลงในกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (EHT) จะเผยให้เห็นชุดวงแหวนแสงที่ละเอียดอ่อนรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาล ตามที่ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริการะบุ เช่นเดียวกับการให้ค่ามวลและการหมุนของหลุมดำที่แม่นยำยิ่งขึ้น การสังเกต “วงแหวนย่อย” เหล่านี้อาจเป็นการทดสอบเกณฑ์มาตรฐานของอินเตอร์เฟอโรเมทรีที่ตรวจวัดระยะห่างจากระยะไกล
โดยใช้กล้องโทรทรรศน์บนโลกและในอวกาศ
ในเดือนเมษายน 2019 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานเกี่ยวกับ EHT ได้สังเกตเห็นวงแหวนแสงที่ส่องสว่างรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางดาราจักร M 87 การสังเกตการณ์ครั้งแรกนี้ทำให้ทีม EHT สามารถกำหนดมวลของหลุมดำได้ถึง 6.5 พันล้านมวลดวงอาทิตย์ ให้หรือรับ 10% นักวิทยาศาสตร์ EHT ยังสามารถคำนวณทิศทางการหมุน (สปิน) ของหลุมดำได้
แสงนี้มาจากสสารร้อนที่หมุนรอบหลุมดำ แสงเบี่ยงเบนจากสนามโน้มถ่วงขนาดมหึมาของหลุมดำ ทำให้ดูเหมือนวงแหวนสำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ EHT ไม่สามารถมองเห็นได้คือชุดของวงแหวนย่อยภายในวงแหวนนี้ที่ควรให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับหลุมดำ
เหลือบของความซับซ้อน“ด้วยภาพ EHT ในปัจจุบัน เราได้เห็นความซับซ้อนทั้งหมดที่ควรปรากฏในภาพของหลุมดำ” ไมเคิล จอห์นสันแห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ผู้มีส่วนร่วมในการวิจัยล่าสุดกล่าว
แต่ละวงย่อยเหล่านี้สอดคล้องกับชุดวิถีโคจรเฉพาะที่ถ่ายโดยแสงที่เบี่ยงเบน แสงส่วนใหญ่ในวงแหวนเป็นผลมาจากการโก่งตัวเล็กน้อย ซึ่งสร้างริงย่อยคล้ายรัศมีแบบกระจายที่แสดงเป็น n=0 แสงยังสามารถไปตามเส้นทางที่มีลักษณะคล้ายพาราโบลา โดยโคจรครึ่งวงโคจรของหลุมดำก่อนจะหลบหนี แสงนี้ถูกเพ่งไปที่วงแหวนที่บางกว่าภายในรัศมีที่ระบุ n=1 เนื่องจากแสงทำให้หลุมดำโคจรไปครึ่งหนึ่ง
แสงบางส่วนจะโคจรรอบหลุมดำหนึ่งรอบก่อนที่จะหลบหนีเพื่อสร้างวงแหวนย่อยที่บางกว่า n=2 อันที่จริง ชุดของวงแหวนที่บางขึ้นเรื่อยๆ ถูกสร้างขึ้นโดยแสงที่ทำให้จำนวนวงโคจรของหลุมดำมีจำนวนเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อจำนวนฮาล์ฟออร์บิตเพิ่มขึ้น วงแหวนย่อยก็จะลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและสว่างน้อยลง
อาร์เรย์ขนาดใหญ่มาก
ตอนนี้ จอห์นสันและเพื่อนร่วมงานได้คำนวณโครงสร้างของวงแหวนย่อยเหล่านี้และสรุปว่าน่าจะเป็นไปได้ที่จะสังเกตพวกมันโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ที่แยกจากกันด้วยระยะทางที่ไกลมาก
EHT เป็นเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ครอบคลุมซีกโลก การใช้เทคนิคที่เรียกว่าอินเตอร์เฟอโรเมตรีที่มีความยาวมาก EHT จึงเป็นจานวิทยุขนาดเท่าโลก ที่ให้ความละเอียดเชิงมุมสูงมาก ในงานล่าสุดนี้ นักวิจัยได้คำนวณว่าแม้แต่กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่นี้ก็ยังไม่ดีพอที่จะแยกแยะระหว่างวงแหวนย่อยสองสามวงแรก
วิธีหนึ่งในการตรวจจับวงแหวนย่อย n=1 คือการใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่ไวต่อสัญญาณความยาวคลื่นต่ำกว่า EHT ความเป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งก็คือการปล่อยกล้องโทรทรรศน์วิทยุขึ้นสู่วงโคจรระดับพื้นโลก การตรวจจับวงแหวน n=2 จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์บนดวงจันทร์ และการเห็น n=3 จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่จุด L2 Lagrangian เหนือดวงจันทร์
หน่วยความจำควอนตัมชนิดใหม่ที่สามารถขยายช่วงของระบบเข้ารหัสควอนตัมได้รับการเปิดเผยโดยนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกา วิธีนี้เป็นวิธีที่ปลอดภัยในการอนุญาตให้ตัวกลางช่วยในการส่งข้อมูลควอนตัมและอาจนำไปสู่การใช้การเข้ารหัสควอนตัมคีย์ (QKD) อย่างแพร่หลายมากขึ้น
การใช้ QKD คนสองคน (Alice และ Bob)
อาศัยกลศาสตร์ควอนตัมเพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลอย่างลับๆ อลิซส่งชุดควอนตัมบิต (qubits) ให้บ๊อบเข้ารหัสในสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนเดี่ยว (หรือพัลส์แสงที่สัมพันธ์กันที่อ่อนแอ) ด้วยการดำเนินการชุดการวัดและการสื่อสารผ่านลิงก์ที่ไม่ปลอดภัย อลิซและบ็อบจึงสร้างคีย์การเข้ารหัสที่พวกเขาสามารถใช้เพื่อส่งข้อความลับผ่านลิงก์ที่ไม่ปลอดภัย สิ่งที่สำคัญที่สุดคือถ้าผู้แอบฟัง (อีฟ) สกัดกั้นและวัดควอนตัมบิต อลิซและบ๊อบจะได้รับการแจ้งเตือนด้วยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม
แม้ว่าระบบ QKD เชิงพาณิชย์บางระบบกำลังใช้งานอยู่ การส่งคิวบิตแบบโฟตอนเดี่ยวในระยะทางไกลในเส้นใยแก้วนำแสงถือเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญ บันทึกปัจจุบันสำหรับ QKD ผ่านลิงก์โทรคมนาคมเชิงพาณิชย์ (แทนที่จะเป็นลิงก์เฉพาะ) คือ 50 กม.
“โฟตอนหายไป”“แก่นแท้ เหตุผลที่เราไม่มีอินเทอร์เน็ตควอนตัมในตอนนี้ก็คือโฟตอนหายไป” สมาชิกในทีมBart Machielse อธิบาย : “โฟตอนกระจัดกระจายออกจากเส้นใย โฟตอนจะถูกดูดซับ และเมื่อลิงก์มีความยาวมากขึ้นในการสื่อสาร อัตราลดลง” การรวมโฟตอนหลาย ๆ อันในแต่ละชีพจรจะขจัดความปลอดภัยโดยสิ้นเชิง เนื่องจากอีฟสามารถวัดโฟตอนหนึ่งตัวโดยไม่รบกวนอีกโฟตอน
ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือการรวมบุคคลที่สาม (ชาร์ลี) ระหว่างอลิซกับบ็อบเพื่อวัดสถานะของโฟตอนที่พวกเขาแลกเปลี่ยนกัน อย่างไรก็ตาม หากการรักษาความปลอดภัยยังคงสมบูรณ์ ชาร์ลีไม่สามารถวัดสถานะของโฟตอนจากฝ่ายหนึ่งและเปรียบเทียบกับโฟตอนถัดไปที่เขาได้รับจากอีกฝ่ายได้ง่ายๆ เนื่องจากเขาอาจไม่น่าเชื่อถือในตัวเอง
ที่นี่เช่นกัน กลศาสตร์ควอนตัมเสนอวิธีแก้ปัญหา: ชาร์ลีเปรียบเทียบโพลาไรเซชันโดยไม่ทราบค่าเฉพาะของพวกมัน “ชาร์ลีวัดโฟตอนทั้งสองและพูดว่า ‘พวกนี้เหมือนกัน’ หรือ ‘สิ่งเหล่านี้ต่างกัน’” Machielse อธิบาย “อลิซและบ็อบพูดว่า ‘ฉันรู้ว่าโฟตอนที่ฉันส่งไป’ และ ‘ชาร์ลีบอกฉันว่าโฟตอนของเราเหมือนกันหรือ แตกต่าง’.” ซึ่งจะรักษาความปลอดภัยของการสื่อสารแม้ในลิงก์ที่ไม่ปลอดภัย
การวัดพร้อมกันปัญหาอย่างหนึ่งของเทคโนโลยีในปัจจุบันคือในการเปรียบเทียบอย่างปลอดภัย ชาร์ลีต้องรับโฟตอนจากอลิซและบ็อบไปพร้อม ๆ กัน ซึ่งไม่ค่อยเกิดขึ้น นักวิจัยจึงพยายามพัฒนาหน่วยความจำควอนตัมที่ช่วยให้ชาร์ลีเก็บสถานะควอนตัมของโฟตอนที่เขาได้รับโดยไม่ต้องวัด Machielse กล่าวว่า “ผู้คนใช้ความทรงจำตั้งแต่อะตอมและไอออนที่ติดอยู่ จุดควอนตัม จุดบกพร่องต่างๆ ในเพชร อย่างที่คุณบอกมา” อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าสิ่งที่สามารถทำได้โดยการแลกเปลี่ยนโฟตอนโดยตรง
