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检验系外行星探测假设和方法的新理论

无数天体物理学家和天文学家正在积极寻找宇宙中未被观测到的天体,因为探测这些天体可以提高我们对空间的理解,并有助于解决悬而未决的天体物理学问题。在这些难以捉摸的天体中,有系外行星,即围绕太阳以外的恒星运行的行星,因此位于太阳系之外。

阻碍系外行星探测的一个关键挑战是,利用现有的方法,很难在一个更亮的光源附近看到次级光源的微弱发射。这大大限制了直接成像技术在系外行星搜索中的应用。

英国谢菲尔德大学和澳大利亚麦克里大学的研究人员最近表明,在探测外行星搜索过程中,特别是在两个源具有小角度分离的情况下,可能减少检测弱次级源的存在的误差。他们发表在《物理评论快报》上的论文特别指出,使用量子态鉴别和量子成像方法可以减少这些误差。

“我们的研究灵感来自最近发表的关于超分辨率量子成像的论文,这是Mankei Tsang和他的同事在新加坡国立大学最严谨的研究,”訾欣皇,一位从事这项研究的研究人员告诉物理博士。“这些论文表明,使用量子技术可以更好地解决两个非相干源的角度分离问题(这是一项估计任务,我们要测量的参数是角度分离)。”

黄和她的同事Cosmo Lupo进行的研究背后的总体思路是,量子技术利用光信号中包含的相位信息。由于这种信息没有被直接成像方法正确利用,量子技术可能被证明更有效。

当谢菲尔德大学的研究人员首先考虑这个想法时,黄在Netflix上观看了一部叫做“外星人世界”的投机性纪录片。这部电影推测可能存在于其他星球上的生命形式,并探究它们的样子。

“在观看《外星世界》时,我想到量子技术可以用于量子识别任务,因为最终,对系外行星的探测归结为我们是否分辨出天空中一个点和两个点的区别,”黄解释道。“考虑到这一点,我们想研究一项辨别任务是否能获得量子优势。结果证明它是可以的!”

Huang和Lupo应用量子信息理论的现有结果来限制假阴性概率(即,当研究人员错过现有行星时)。这种错误概率由一个称为相对熵的函数表示,该函数可以是经典的,也可以是量子的。Huang和Lupo证明量子相对熵比经典相对熵大得多。

“换句话说,信息已经在光中存在了;我们只是简单地计算了最终的量子极限,看看你能在多大程度上完成这项任务,”黄说。“我们希望最大限度地减少漏报,因为行星是罕见的,我们宁愿在发现某些东西时出错,也不愿错过它。幸运的是,我们还找到了能够实现这些错误概率的匹配度量。”

未来,黄和卢波引入的方法可以作为实验人员评估现有系外行星探测技术有效性的基准。此外,它还可以鼓励开发替代光学成像工具,用于天文学和显微镜研究。

“我们的方法适用于广泛的波长范围,这意味着潜在的应用还包括荧光显微镜、激光雷达探测和其他成像技术,”黄补充道。“我们现在正与赫里奥特·瓦特大学合作,对论文中发现的优势进行原理证明实验演示。我们还将继续研究量子在成像某些天文物体方面能提供的帮助。”

作为他们未来工作的一部分,黄和卢波还计划设计用于光学成像的大型基线、纠缠望远镜阵列。现有的相干望远镜阵列大多基于微波技术。然而,如果研究人员能够在光学领域移动这些,他们可能会将这些技术的分辨率提高3到5个数量级。