Квантовая физика может помочь найти Землю 2.0

Фото из открытых источников

Когда астрономы говорят о прямой визуализации экзопланеты, вращающейся вокруг далёкой звезды, они чаще всего приводят аналогию с попыткой обнаружить светлячка рядом с мощным поисковым лучом. Экзопланета, похожая на Землю, невероятно тусклая — обычно в 100 миллионов — 10 миллиардов раз тусклее своей звезды. Понятно, что это делает её очень труднодоступной для наблюдения. Но в новой статье Хёнсу Чоя из Университета Ханьян в Южной Корее и его соавторов, которая доступна в виде препринта на arXiv, описывается теоретическое решение — использование сочетания интеллектуальных компьютерных алгоритмов и квантовой физики.

Квантовая физика, вероятно, не первое, что приходит на ум, когда речь идет об изображении чего-то столь большого, как планета. На самом деле, фундаментальное противоречие в основе физики, между квантовой механикой и теорией относительности, также не сулит ничего хорошего для ее полезности. Но чтобы понять, как именно она может быть полезна, сначала полезно понять концепцию предела Рэлея.

Если два объекта находятся невероятно близко друг к другу, и каждый из них испускает фотоны, их свет сливается в одно пятно, если расстояние между ними меньше так называемого предела Рэлея. В случае экзопланет это означало бы, что свет планеты полностью поглощается светом звезды. Обычный фотодетектор просто зафиксирует фотон и не сможет отличить, исходил ли этот фотон от планеты или от звезды-хозяина.

В дело вступает квантовая механика. В квантовой механике фотоны содержат гораздо больше информации, чем просто уровень энергии (или «яркость»). Одна из таких составляющих информации известна как форма волны, и измерение фотона на основе его формы волны называется измерением пространственной моды. Разработав систему, в которой фотоны сортируются по их волновым характеристикам до того, как они попадут на фотонный детектор, система может извлечь эту дополнительную информацию, которую упускают обычные камеры.

Для обеспечения работы в реальном времени потребовалось встроить в программное обеспечение для анализа изображений непрерывную обратную связь. Во-первых, они ввели логарифмическую шкалу, чтобы гарантировать, что их алгоритм может отслеживать экстремальные различия в яркости между планетой и звездой. Когда алгоритм начинает предполагать, как выглядит звездная система (т.е. сколько планет и звезд существует), он вычисляет так называемую симметричную логарифмическую производную, которая указывает сортировщику фотонов, как сдвигать и корректировать данные, чтобы обеспечить сохранение максимального количества квантовой информации. И, что крайне важно, они взяли предположение, сделанное человеком, о количестве планет, которые должен искать алгоритм, заменив его статистическим инструментом, называемым байесовским информационным критерием.

После реализации механизма обратной связи авторы запустили алгоритм на смоделированной звездной системе с одной звездой и двумя планетами — одна из которых была всего в 10 000 раз тусклее своей звезды, а другая — в 100 миллионов раз тусклее, и обе находились в пределах предела Рэлея. Используя моделирование методом Монте-Карло (при котором начальные условия немного изменяются в течение нескольких запусков моделирования), алгоритм правильно определял общее количество объектов (т.е. 3) в 72,5% случаев. В тех случаях, когда система работала, она также могла определить точное местоположение планет в моделировании с точностью до одного пикселя. Кроме того, она смогла оценить истинную яркость ультратусклой планеты с точностью до коэффициента два в 99,7% случаев, при условии, что она правильно оценила количество объектов.

Моделирование — это здорово, но результаты не всегда точно соответствуют реальному миру. Однако авторы сделали все возможное, чтобы смоделировать ситуацию, намеренно нарушив выравнивание виртуального телескопа при создании наборов данных, используемых в моделировании. Алгоритм смог адаптироваться к этому искусственно созданному шуму в режиме реального времени, при этом его показатель успешности снизился лишь до 71,3%. Тем не менее, в реальных телескопах существует множество других источников шума, и пока неясно, насколько хорошо алгоритм может справляться с другими «шумами».

Следует признать, что в статье описывается лишь компьютерное моделирование. Но даже в этом случае она представляет собой огромный шаг вперед в создании квантовых систем визуализации, способных обнаруживать планеты, которые в 100 миллионов раз тусклее своей звезды — это колоссальное улучшение по сравнению с существующими квантовыми системами визуализации, которые могут обеспечить контрастность между целевой планетой и ее звездой лишь в 1/1000 раза.

Это также четко определяет дальнейший путь для разработчиков оборудования. Хотя физические реализации обычно значительно отстают от теоретических доказательств, это лишь вопрос времени, когда кто-то создаст одну из таких систем и попытается с ее помощью найти новую экзопланету. Еще предстоит выяснить, какие еще проблемы необходимо будет решить для успеха этой попытки. Но с чисто теоретической точки зрения физики, это сочетание поиска экзопланет с квантовой визуализацией представляет собой поистине уникальный подход к одной из самых захватывающих областей современной астрономии.