Ett optiskt bildsystem (modellerat som en tunn lins) används för att skilja mellan två hypoteser. Hypotes H0:endast stjärnan är närvarande. Hypotes H1:det finns ett stjärnplanetsystem, där planeten har mycket svagare intensitet jämfört med stjärnan. Kredit:Huang &Lupo.
Oräkneliga astrofysiker och astronomer söker aktivt efter oobserverade himlakroppar i universum, eftersom att upptäcka dessa kroppar kan förbättra vår förståelse av rymden och hjälpa oss att ta itu med obesvarade astrofysiska frågor. Bland dessa svårfångade objekt finns exoplaneter, planeter som kretsar kring en annan stjärna än solen, alltså utanför solsystemet.
En avgörande utmaning som hindrar upptäckten av exoplaneter är att med befintliga metoder, det är svårt att se ett svagt utsläpp från en sekundär källa som är i närheten av en mycket ljusare källa. Detta begränsar avsevärt användningen av direktavbildningstekniker vid exoplanetsökningar.
Forskare vid University of Sheffield i Storbritannien och Macquarie University i Australien har nyligen visat att det kan vara möjligt att minska felen i att upptäcka närvaron av en svag sekundär källa under exoplanetsökningar, särskilt i fall där två källor har små vinkelseparationer. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , föreslår specifikt att dessa fel skulle kunna reduceras genom att använda kvanttillståndsdiskriminering och kvantavbildningsmetoder.
"Vårt arbete inspirerades av nya artiklar om kvantavbildning med superupplösning, som först noggrant kvantifierades av Mankei Tsang och hans kollegor vid National University of Singapore, "Zixin Huang, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Dessa papper visade att vinkelseparationen av två inkoherenta källor kan lösas mycket bättre genom att använda kvanttekniker (detta är en uppskattningsuppgift, där parametern vi vill mäta är vinkelseparationen)."
Den allmänna tanken bakom studien som Huang och hennes kollega Cosmo Lupo genomförde är att kvanttekniker använder den fasinformation som finns i den optiska signalen. Eftersom denna information inte utnyttjas korrekt av direkta bildbehandlingsmetoder, kvanttekniker kan visa sig vara mer effektiva.
Medan forskarna vid University of Sheffield först övervägde denna idé, Huang tittade på en spekulativ dokumentär på Netflix som heter "Alien Worlds". Filmen spekulerar i möjliga livsformer som skulle kunna existera på andra planeter och utforskar hur de kan se ut.
Den optimala mätningen som uppnår de optimala felsannolikheterna, i gränsen att de två källorna ligger mycket nära varandra. Det är en multimode vågledare som kan användas som en spatial-mode sorterare. Fotonräkning utförs vid utgången. Kredit:Huang &Lupo.
"Medan jag såg "Alien Worlds, "det kom till mig att kvanttekniker kunde användas för en kvantdiskrimineringsuppgift, som i slutändan, upptäckten av exoplaneter handlar om huruvida vi ser skillnaden mellan en fläck och två fläckar på himlen, Huang förklarade. "Med detta i åtanke, vi tänkte studera om en kvantfördel kan erhållas för en diskrimineringsuppgift. Det visar sig att det kan!"
Huang och Lupo tillämpade ett befintligt resultat i kvantinformationsteorin för att begränsa sannolikheten för ett falskt negativt (dvs. när en befintlig planet saknas av forskare). Sådan felsannolikhet uttrycks av en funktion som kallas den relativa entropin, som är antingen klassisk eller kvant. Huang och Lupo visade att den relativa kvantentropin är mycket större än den klassiska.
"Med andra ord, informationen finns redan där i ljuset; vi beräknade helt enkelt den ultimata kvantgränsen för hur bra du kan göra med den här uppgiften, " sa Huang. "Vi ville minimera falska negativa resultat, eftersom planeter är sällsynta, och vi skulle mycket hellre göra ett misstag i att hitta något snarare än att missa det. Med lite tur, vi hittade också den matchande mätningen som kunde uppnå dessa felsannolikheter."
I framtiden, metoden som introducerades av Huang och Lupo skulle kunna fungera som ett riktmärke för experimenterande som vill bedöma effektiviteten av befintliga tekniker för exoplanetdetektering. Dessutom, det skulle kunna inspirera till utvecklingen av alternativa optiska bildverktyg, både för astronomi och mikroskopistudier.
"Vår metod gäller ett brett spektrum av våglängder, vilket innebär att de potentiella tillämpningarna även inkluderar fluorescensmikroskopi, LIDAR-detektering, och andra bildtekniker, " Huang tillade. "Vi samarbetar nu med Heriot-Watt University för att utföra en proof-of-princip experimentell demonstration av fördelen som upptäcktes i tidningen. Vi kommer också att fortsätta att undersöka till vilken kapacitet kvantum kan hjälpa till att avbilda vissa astronomiska objekt."
Som en del av deras framtida arbete, Huang och Lupo planerar också att designa en stor baslinje, Entanglement-aktiverade teleskoparrayer för optisk bildbehandling. De flesta befintliga koherenta teleskoparrayer är baserade på mikrovågsteknik. Dock, om forskarna kunde flytta dessa i den optiska domänen, de skulle potentiellt kunna öka denna tekniks upplösning med 3 till 5 storleksordningar.
© 2021 Science X Network
