Квантовая физика поможет найти Землю 2.0: новый метод обещает революцию в поиске экзопланет

Когда астрономы говорят о прямом наблюдении экзопланет, они используют аналогию с попыткой разглядеть светлячка рядом с мощным прожектором. Землеподобная планета невероятно тусклая — обычно в 100 миллионов–10 миллиардов раз слабее своей звезды. Это делает их крайне трудными для обнаружения. Однако новая работа исследователей из Университета Ханьян в Южной Корее предлагает теоретическое решение, сочетающее умные компьютерные алгоритмы и квантовую физику.

Предел Рэлея и квантовый обход

Когда два объекта находятся очень близко друг к другу и каждый излучает фотоны, их свет сливается в одно пятно, если расстояние между ними меньше предела Рэлея. В случае экзопланет это означает, что свет планеты полностью поглощается светом звезды. Обычный фотодетектор зафиксирует фотон, но не сможет определить, пришел ли он от планеты или от звезды.

Однако в квантовой механике фотоны содержат гораздо больше информации, чем просто их энергия. Одним из таких параметров является форма волны. Измерение фотона на основе его волновой формы называется пространственно-модовым измерением. Разработав систему, в которой фотоны сортируются по волновым паттернам перед попаданием в детектор, можно извлечь дополнительную информацию, которую обычные камеры упускают.

Как работает алгоритм

Для работы в реальном времени потребовалось создать непрерывную обратную связь в программном обеспечении для анализа изображений. Сначала исследователи ввели логарифмическую шкалу, чтобы алгоритм мог отслеживать экстремальные различия в яркости между планетой и звездой. Затем алгоритм, пытаясь определить, как выглядит звездная система, вычисляет симметричную логарифмическую производную, которая указывает сортировщику фотонов, как настраиваться для сохранения максимального количества квантовой информации. Важно, что они заменили человеческую догадку о количестве планет статистическим инструментом — байесовским информационным критерием.

После внедрения обратной связи алгоритм был запущен на смоделированной звездной системе с одной звездой и двумя планетами — одна из которых была всего в 10 тысяч раз тусклее звезды, а другая — в 100 миллионов раз. Обе находились в пределах предела Рэлея. Используя моделирование Монте-Карло, алгоритм правильно определил общее количество объектов в 72,5 процентах случаев. Когда система работала, она могла определить местоположение планет в симуляции с точностью до одного пикселя и оценить истинную яркость сверхтусклой планеты с точностью до двух раз в 99,7 процента случаев.

Перспективы и вызовы

Авторы протестировали алгоритм на устойчивость к шумам, искусственно нарушив выравнивание виртуального телескопа. Успешность снизилась лишь до 71,3 процента. Однако реальные телескопы имеют множество других источников шума, и неизвестно, насколько хорошо алгоритм справится с ними. Описываемая работа представляет собой значительный шаг вперед в разработке квантовых систем визуализации, которые могли бы находить планеты в 100 миллионов раз тусклее своих звезд. Это огромное улучшение по сравнению с текущими квантовыми системами, которые справляются с контрастом 1 к 1000.

Хотя физические реализации обычно отстают от теоретических разработок, остается лишь вопросом времени, когда кто-то построит такую систему и попытается найти с ее помощью новую экзопланету. Пока неясно, какие еще сложности потребуется преодолеть, но с теоретической точки зрения это сочетание охоты за экзопланетами и квантовой визуализации представляет собой уникальный подход в одной из самых увлекательных областей современной астрономии.