Un sistema di imaging ottico (modellato come una lente sottile) viene utilizzato per discriminare tra due ipotesi. Ipotesi H0:è presente solo la stella. Ipotesi H1:è presente un sistema stella-pianeta, dove il pianeta ha un'intensità molto più debole rispetto alla stella. Credito:Huang &Lupo.
Innumerevoli astrofisici e astronomi sono attivamente alla ricerca di corpi celesti inosservati nell'universo, poiché il rilevamento di questi corpi potrebbe migliorare la nostra comprensione dello spazio e aiutare ad affrontare le domande astrofisiche senza risposta. Tra questi oggetti sfuggenti ci sono esopianeti, pianeti che orbitano attorno a una stella diversa dal sole, quindi al di fuori del sistema solare.
Una sfida cruciale che impedisce il rilevamento di esopianeti è che con i metodi esistenti, è difficile vedere una debole emissione di una sorgente secondaria che si trova in prossimità di una sorgente molto più luminosa. Ciò limita significativamente l'uso di tecniche di imaging diretto nelle ricerche sugli esopianeti.
I ricercatori dell'Università di Sheffield nel Regno Unito e della Macquarie University in Australia hanno recentemente dimostrato che potrebbe essere possibile ridurre gli errori nel rilevare la presenza di una debole fonte secondaria durante le ricerche sugli esopianeti, in particolare nei casi in cui due sorgenti hanno piccole separazioni angolari. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , suggerisce specificamente che questi errori potrebbero essere ridotti utilizzando la discriminazione dello stato quantistico e metodi di imaging quantistico.
"Il nostro lavoro è stato ispirato da recenti articoli sull'imaging quantistico a super risoluzione, che è stato quantificato per la prima volta in modo rigoroso da Mankei Tsang e dai suoi colleghi della National University of Singapore, " Zixin Huang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questi documenti hanno mostrato che la separazione angolare di due sorgenti incoerenti può essere risolta molto meglio utilizzando tecniche quantistiche (questo è un compito di stima, dove il parametro che vogliamo misurare è la separazione angolare)."
L'idea generale alla base dello studio condotto da Huang e dal suo collega Cosmo Lupo è che le tecniche quantistiche utilizzano l'informazione di fase contenuta nel segnale ottico. Poiché queste informazioni non sono adeguatamente sfruttate dai metodi di imaging diretto, le tecniche quantistiche potrebbero rivelarsi più efficaci.
Mentre i ricercatori dell'Università di Sheffield stavano prendendo in considerazione per la prima volta questa idea, Huang ha guardato un documentario speculativo su Netflix chiamato "Alien Worlds". Il film specula su possibili forme di vita che potrebbero esistere su altri pianeti ed esplora come potrebbero apparire.
La misura ottimale che raggiunge le probabilità di errore ottimali, nel limite che le due sorgenti sono molto vicine tra loro. È una guida d'onda multimodale che può essere utilizzata come selezionatore in modalità spaziale. Il conteggio dei fotoni viene eseguito all'uscita. Credito:Huang &Lupo.
"Mentre guardi "Alien Worlds, " mi è venuto in mente che le tecniche quantistiche potrebbero essere utilizzate per un compito di discriminazione quantistica, come in definitiva, il rilevamento di esopianeti si riduce al fatto che distinguiamo la differenza tra un punto e due punti nel cielo, " ha spiegato Huang. "Tenendo a mente questo, abbiamo pensato di studiare se è possibile ottenere un vantaggio quantistico per un compito di discriminazione. Si scopre che può!"
Huang e Lupo hanno applicato un risultato esistente nella teoria dell'informazione quantistica per limitare la probabilità di un falso negativo (cioè, quando un pianeta esistente viene perso dai ricercatori). Tale probabilità di errore è espressa da una funzione chiamata entropia relativa, che è classico o quantistico. Huang e Lupo hanno mostrato che l'entropia relativa quantistica è molto più grande di quella classica.
"In altre parole, l'informazione è già lì alla luce; abbiamo semplicemente calcolato il limite quantistico ultimo di quanto bene puoi fare con questo compito, " Huang ha detto. "Volevamo ridurre al minimo i falsi negativi, perché i pianeti sono rari, e preferiremmo di gran lunga commettere un errore nel trovare qualcosa piuttosto che perderlo. Con un po' di fortuna, abbiamo anche trovato la misura corrispondente che potrebbe raggiungere queste probabilità di errore."
Nel futuro, il metodo introdotto da Huang e Lupo potrebbe servire come punto di riferimento per gli sperimentatori che cercano di valutare l'efficacia delle tecniche esistenti per il rilevamento degli esopianeti. Inoltre, potrebbe ispirare lo sviluppo di strumenti di imaging ottico alternativi, sia per studi di astronomia che di microscopia.
"Il nostro metodo si applica a un'ampia gamma di lunghezze d'onda, il che significa che le potenziali applicazioni includono anche la microscopia a fluorescenza, rilevamento LIDAR, e altre tecniche di imaging, Huang ha aggiunto. "Stiamo ora collaborando con la Heriot-Watt University per eseguire una dimostrazione sperimentale di prova del principio del vantaggio scoperto nel documento. Continueremo anche a indagare su quale capacità quantistica può aiutare nell'imaging di determinati oggetti astronomici".
Come parte del loro lavoro futuro, Huang e Lupo hanno anche in programma di progettare un'ampia baseline, array di telescopi abilitati all'entanglement per l'imaging ottico. La maggior parte degli array di telescopi coerenti esistenti si basa sulla tecnologia a microonde. Però, se i ricercatori fossero in grado di spostarli nel dominio ottico, potrebbero potenzialmente aumentare la risoluzione di queste tecniche da 3 a 5 ordini di grandezza.
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