Um sistema de imagem óptica (modelado como uma lente fina) é usado para discriminar entre duas hipóteses. Hipótese H0:apenas a estrela está presente. Hipótese H1:há um sistema planeta estrela presente, onde o planeta tem intensidade muito mais fraca em comparação com a estrela. Crédito:Huang &Lupo.
Inúmeros astrofísicos e astrônomos estão procurando ativamente por corpos celestes não observados no universo, já que a detecção desses corpos pode melhorar nossa compreensão do espaço e ajudar a resolver questões astrofísicas não respondidas. Entre esses objetos elusivos estão os exoplanetas, planetas que orbitam uma estrela diferente do sol, portanto, fora do sistema solar.
Um desafio crucial que impede a detecção de exoplanetas é que com os métodos existentes, é difícil ver as emissões fracas de uma fonte secundária que está nas proximidades de uma fonte muito mais brilhante. Isso limita significativamente o uso de técnicas de imagem direta em pesquisas de exoplanetas.
Pesquisadores da University of Sheffield no Reino Unido e da Macquarie University na Austrália mostraram recentemente que pode ser possível reduzir os erros na detecção da presença de uma fonte secundária fraca durante pesquisas de exoplanetas, particularmente em casos onde duas fontes têm pequenas separações angulares. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , sugere especificamente que esses erros poderiam ser reduzidos usando discriminação de estado quântico e métodos de imagem quântica.
"Nosso trabalho foi inspirado em artigos recentes sobre imagens quânticas de super-resolução, que foi quantificado rigorosamente pela primeira vez por Mankei Tsang e seus colegas da Universidade Nacional de Cingapura, "Zixin Huang, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Esses artigos mostraram que a separação angular de duas fontes incoerentes pode ser muito melhor resolvida usando técnicas quânticas (esta é uma tarefa de estimativa, onde o parâmetro que queremos medir é a separação angular). "
A ideia geral por trás do estudo conduzido por Huang e seu colega Cosmo Lupo é que as técnicas quânticas usam as informações de fase contidas no sinal óptico. Como essas informações não são exploradas adequadamente por métodos diretos de imagem, as técnicas quânticas podem revelar-se mais eficazes.
Enquanto os pesquisadores da University of Sheffield estavam considerando essa ideia pela primeira vez, Huang assistiu a um documentário especulativo na Netflix chamado "Alien Worlds". O filme especula sobre possíveis formas de vida que poderiam existir em outros planetas e explora como podem ser.
A medição ideal que atinge as probabilidades de erro ideais, no limite que as duas fontes estão muito próximas. É um guia de onda multimodo que pode ser usado como um classificador de modo espacial. A contagem de fótons é realizada na saída. Crédito:Huang &Lupo.
"Enquanto assistia" Alien Worlds, "me ocorreu que as técnicas quânticas poderiam ser usadas para uma tarefa de discriminação quântica, como no final das contas, a detecção de exoplanetas se resume a saber se podemos dizer a diferença entre um ponto e dois pontos no céu, "Huang explicou." Tendo isso em mente, pensamos em estudar se uma vantagem quântica pode ser obtida para uma tarefa de discriminação. Acontece que pode! "
Huang e Lupo aplicaram um resultado existente na teoria da informação quântica para limitar a probabilidade de um falso negativo (ou seja, quando um planeta existente é perdido pelos pesquisadores). Essa probabilidade de erro é expressa por uma função chamada entropia relativa, que é clássico ou quântico. Huang e Lupo mostraram que a entropia relativa quântica é muito maior que a clássica.
"Em outras palavras, a informação já está lá na luz; nós simplesmente calculamos o limite quântico final de quão bem você pode fazer com esta tarefa, "Huang disse." Queríamos minimizar os falsos negativos, porque os planetas são raros, e preferiríamos cometer um erro ao encontrar algo em vez de perdê-lo. Com alguma sorte, também encontramos a medição correspondente que poderia atingir essas probabilidades de erro. "
No futuro, o método introduzido por Huang e Lupo pode servir como uma referência para os experimentadores que procuram avaliar a eficácia das técnicas existentes para a detecção de exoplanetas. Além disso, poderia inspirar o desenvolvimento de ferramentas alternativas de imagem óptica, tanto para astronomia quanto para estudos de microscopia.
"Nosso método se aplica a uma ampla gama de comprimentos de onda, o que significa que as aplicações potenciais também incluem microscopia de fluorescência, Detecção LIDAR, e outras técnicas de imagem, "Huang acrescentou." Estamos agora colaborando com a Universidade Heriot-Watt para realizar uma demonstração experimental de prova de princípio da vantagem descoberta no artigo. Também continuaremos investigando até que ponto o quantum pode ajudar na geração de imagens de certos objetos astronômicos. "
Como parte de seu trabalho futuro, Huang e Lupo também planejam projetar uma grande linha de base, arranjos de telescópios habilitados para emaranhamento para imagens ópticas. A maioria dos arranjos de telescópios coerentes existentes é baseada na tecnologia de microondas. Contudo, se os pesquisadores fossem capazes de movê-los no domínio óptico, eles poderiam potencialmente aumentar a resolução dessa técnica em 3 a 5 ordens de magnitude.
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