太空的秘密往往難以揭開。例如，看似一顆明亮的星星，實際上可能是兩顆互相繞行的恆星；而一閃而過的光點，則可能是一顆隱藏在母恆星強光下的遙遠行星。那麼，觀察這些宇宙細節的最佳方法是什麼呢？傳統的解決方案是擴大望遠鏡的尺寸。更寬的鏡面能夠收集更多信息，並揭示更細微的細節。然而，單一望遠鏡的尺寸存在物理和財務的限制。因此，科學家們找到了一種變通的方法。他們不是建造一個巨型望遠鏡，而是將多個小型望遠鏡分開放置，並將它們的光線結合起來。如果操作得當，這個系統就能像一個寬度等於它們之間距離的單一望遠鏡。這種技術稱為長基線干涉測量，已經在天文學中得到應用。
不過，這裡有一個問題。要將這些光線結合在一起，必須將遠方望遠鏡的光線物理地匯聚起來。聽起來似乎簡單，但實際上並不容易，因為光線是脆弱的。光中有用的信息包含在極其微妙的特徵中。當光線在長距離傳播時，即使是微小的擾動——例如微小的損失或環境噪聲——也會削弱或扭曲光線。當光束相遇時，一些關鍵細節可能已經消失。現在，來自NASA戈達德太空飛行中心、馬里蘭大學和亞利桑那大學的研究團隊提出了一個獨特的解決方案，基於兩個有趣的問題：如果望遠鏡根本不需要將它們的光線匯聚在一起呢？如果它們可以利用量子纏結來結合信息呢？如果他們的提議成功，天文學家們或許能夠建造出比當前系統更清晰的望遠鏡網絡，而無需通過脆弱的長距離鏈接傳送光束。
從量子角度看光線，研究人員並不是將光線簡單地視作形成影像的波，而是將其視為信息的量子載體。這種觀點改變了問題的本質，從「我們看到了什麼圖像？」轉變為「量子物理允許我們提取的絕對最大信息是多少？」在過去十年中，量子信息理論已經顯示出，通過更聰明的測量策略，可以從相同的光線中提取出更多的細節。一種策略涉及空間模式排序。當恆星光進入望遠鏡時，它不僅僅是一團光，而是包含了不同的空間模式——即電場在空間中的不同分佈方式。空間模式排序器是一種設備，能將進入的光分割成這些不同的模式，並將每一個模式發送到自己的檢測器。分析這些模式可以幫助望遠鏡從微弱或微小的物體中提取更多的信息。
亞利桑那大學的量子網絡專家Saikat Guha表示，早期的理論工作表明，將空間模式排序與長基線干涉測量相結合，能夠達到解決兩顆恆星的真正量子極限。然而，在每個望遠鏡中對光進行排序後，這些不同的模式仍需要使用光束分離器物理地結合。這使得研究人員又回到了原本的問題——在長距離運輸脆弱的光線。那麼，如果結合的步驟可以在不物理匯聚光線的情況下進行呢？根據研究人員的說法，纏結可以使這成為可能。這一量子現象產生的相關性超過了任何經典連接。如果每個望遠鏡共享纏結的量子記憶，例如儲存量子位的原子系統，那麼就可以進行跨距離的聯合測量。利用纏結加上普通的經典通信，研究人員表明，有可能在數學上重現光束分離器所執行的同類聯合測量。實質上，望遠鏡在不讓光線相遇的情況下，相互干擾彼此的數據。
這一想法基於早期的理論提議，探討了利用纏結進行遠程干涉的可能性。然而，新的框架進一步推進了這一理念。它不僅僅是以量子方式複製傳統的相位掃描干涉測量，而是允許在望遠鏡網絡中進行任意的聯合量子測量。這意味著該系統不受限於舊有的方法——它可以在原則上執行量子力學允許的最有效率的測量。Guha補充道，我們提出了一種方法，可以在每個望遠鏡的光束分離器陣列中執行局部排序的恆星光的成對結合，但不需要任何物理光束分離器，也不需要將兩個望遠鏡的光線物理地匯聚到一個位置。
為了測試這一想法，研究團隊針對現實的天文場景進行了詳細計算，例如解析兩個緊密相鄰的點光源。結果顯示，利用纏結輔助的望遠鏡網絡可能會超越單個望遠鏡和僅依賴經典通信的長基線系統。更重要的是，這一方法中的一個關鍵部分，即利用纏結進行弱光的相位測量，已經在實驗中得到了證實。哈佛大學的研究人員使用鑽石中的硅空位中心，創建了原子量子記憶之間的遠程纏結，顯示出這一基本物理現象是可行的。如果這一方法能夠實用化，將能夠徹底改變我們觀測宇宙的方式。Guha表示，我們的方法可以應用於從定位恆星團到檢測已知物體的變化、對物體進行分類、檢測系外行星等廣泛領域。目前，這項工作顯示出，天文學解析度的下一次飛躍，或許不來自更大的鏡面，而是來自量子通信網絡的建立。這項研究發表在《物理評論快報》期刊上。
