Se utiliza un sistema de imágenes ópticas (modelado como una lente delgada) para discriminar entre dos hipótesis. Hipótesis H0:solo está presente la estrella. Hipótesis H1:hay un sistema estrella-planeta presente, donde el planeta tiene una intensidad mucho más débil en comparación con la estrella. Crédito:Huang &Lupo.
Innumerables astrofísicos y astrónomos están buscando activamente cuerpos celestes no observados en el universo, ya que la detección de estos cuerpos podría mejorar nuestra comprensión del espacio y ayudar a abordar preguntas astrofísicas sin respuesta. Entre estos objetos esquivos se encuentran exoplanetas, planetas que orbitan una estrella distinta al sol, por lo tanto, fuera del sistema solar.
Un desafío crucial que impide la detección de exoplanetas es que con los métodos existentes, es difícil ver las emisiones débiles de una fuente secundaria que se encuentra en la proximidad de una fuente mucho más brillante. Esto limita significativamente el uso de técnicas de imágenes directas en búsquedas de exoplanetas.
Investigadores de la Universidad de Sheffield en el Reino Unido y la Universidad Macquarie en Australia han demostrado recientemente que podría ser posible reducir los errores al detectar la presencia de una fuente secundaria débil durante las búsquedas de exoplanetas. particularmente en los casos en que dos fuentes tienen pequeñas separaciones angulares. Su papel publicado en Cartas de revisión física , sugiere específicamente que estos errores podrían reducirse utilizando métodos de discriminación de estado cuántico y de imágenes cuánticas.
"Nuestro trabajo se inspiró en artículos recientes sobre imágenes cuánticas de superresolución, que fue cuantificado rigurosamente por primera vez por Mankei Tsang y sus colegas de la Universidad Nacional de Singapur, "Zixin Huang, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Estos artículos mostraron que la separación angular de dos fuentes incoherentes se puede resolver mucho mejor mediante el uso de técnicas cuánticas (esta es una tarea de estimación, donde el parámetro que queremos medir es la separación angular) ".
La idea general detrás del estudio realizado por Huang y su colega Cosmo Lupo es que las técnicas cuánticas utilizan la información de fase que está contenida en la señal óptica. Dado que esta información no se explota adecuadamente mediante métodos de obtención de imágenes directas, Las técnicas cuánticas podrían resultar más eficaces.
Mientras que los investigadores de la Universidad de Sheffield estaban considerando por primera vez esta idea, Huang vio un documental especulativo en Netflix llamado "Alien Worlds". La película especula sobre posibles formas de vida que podrían existir en otros planetas y explora cómo podrían verse.
La medida óptima que logra las probabilidades de error óptimas, en el límite de que las dos fuentes estén muy juntas. Es una guía de ondas multimodo que se puede utilizar como clasificador de modo espacial. El recuento de fotones se realiza en la salida. Crédito:Huang &Lupo.
"Mientras miras" Alien Worlds, "Se me ocurrió que las técnicas cuánticas podrían usarse para una tarea de discriminación cuántica, como en última instancia, la detección de exoplanetas se reduce a si distinguimos la diferencia entre un punto y dos puntos en el cielo, "Explicó Huang." Teniendo esto en cuenta, pensamos estudiar si se puede obtener una ventaja cuántica para una tarea de discriminación. ¡Resulta que puede! "
Huang y Lupo aplicaron un resultado existente en la teoría de la información cuántica para limitar la probabilidad de un falso negativo (es decir, cuando los investigadores pasan por alto un planeta existente). Tal probabilidad de error se expresa mediante una función llamada entropía relativa, que es clásica o cuántica. Huang y Lupo demostraron que la entropía relativa cuántica es mucho mayor que la clásica.
"En otras palabras, la información ya está ahí en la luz; simplemente calculamos el límite cuántico final en cuanto a qué tan bien puede hacerlo con esta tarea, ", Dijo Huang." Queríamos minimizar los falsos negativos, porque los planetas son raros, y preferiríamos cometer un error al encontrar algo en lugar de perderlo. Con un poco de suerte también encontramos la medida coincidente que podría lograr estas probabilidades de error ".
En el futuro, el método introducido por Huang y Lupo podría servir como punto de referencia para los experimentadores que buscan evaluar la efectividad de las técnicas existentes para la detección de exoplanetas. Además, podría inspirar el desarrollo de herramientas de imágenes ópticas alternativas, tanto para estudios de astronomía como de microscopía.
"Nuestro método se aplica a una amplia gama de longitudes de onda, lo que significa que las aplicaciones potenciales también incluyen microscopía de fluorescencia, Detección LIDAR, y otras técnicas de imagen, "Añadió Huang." Ahora estamos colaborando con la Universidad Heriot-Watt para realizar una demostración experimental de prueba de principio de la ventaja descubierta en el artículo. También continuaremos investigando hasta qué punto la capacidad cuántica puede ayudar a obtener imágenes de ciertos objetos astronómicos ".
Como parte de su trabajo futuro, Huang y Lupo también planean diseñar una línea de base grande, Arreglos de telescopios habilitados para enredos para imágenes ópticas. La mayoría de los conjuntos de telescopios coherentes existentes se basan en la tecnología de microondas. Sin embargo, si los investigadores pudieran moverlos en el dominio óptico, potencialmente podrían aumentar la resolución de esta técnica de 3 a 5 órdenes de magnitud.
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