|
Квантовая физика поможет найти Землю 2.0
|
|
|
|
Когда астрономы говорят о прямой визуализации экзопланеты, вращающейся вокруг далёкой звезды, они чаще всего используют аналогию с попыткой разглядеть светлячка рядом с массивным прожектором. Экзопланета, подобная Земле, невероятно тусклая — обычно в 100 миллионов — 10 миллиардов раз тусклее своей звезды.
|
|
|
|
Понятно, что это делает её очень труднодоступной для наблюдения. Но новая статья Хёнсу Чоя из Университета Ханьян в Южной Корее и его соавторов, доступная в виде препринта на arXiv, описывает теоретическое решение — с использованием сочетания интеллектуальных компьютерных алгоритмов и квантовой физики.
|
|
|
|
Квантовая физика, вероятно, не первое, что приходит на ум, когда речь идёт о визуализации 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 её полезности. Но чтобы понять, как это может быть полезно, сначала нужно разобраться в концепции предела Рэлея.
|
|
|
|
Если два объекта находятся невероятно близко друг к другу и каждый излучает фотоны, их свет сливается в одно пятно, если расстояние между ними меньше, чем расстояние, известное как предел Рэлея. В случае экзопланет это означало бы, что свет планеты полностью поглощается светом звезды. Обычный фотодетектор обнаружит фотон, но не сможет отличить, исходил ли он от планеты или от звезды-хозяина.
|
|
|
|
|
|
|
Здесь вступает в игру 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 попадут на фотонный детектор, система может извлекать дополнительную информацию, которую упускают обычные камеры.
|
|
|
|
Для обеспечения работы в реальном времени потребовалось встроить в программное обеспечение для анализа изображений непрерывную обратную связь. Сначала исследователи ввели логарифмическую шкалу, чтобы гарантировать, что их алгоритм сможет отслеживать экстремальные различия в яркости между планетой и звездой.
|
|
|
|
Когда алгоритм начинает предполагать, как выглядит звездная система (т.е. сколько планет и звезд в ней находится), он вычисляет так называемую симметричную логарифмическую производную, которая указывает сортировщику фотонов, как сдвигать и корректировать данные, чтобы обеспечить сохранение максимального количества квантовой информации.
|
|
|
|
Крайне важно, что они заменили сделанное человеком предположение о количестве планет, которые должен искать алгоритм, статистическим инструментом, называемым байесовским информационным критерием.
|
|
|
|
После внедрения 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. Обе планеты находились в пределах рэлеевского предела.
|
|
|
|
Используя моделирование методом Монте-Карло (с небольшими изменениями начальных условий в нескольких запусках), алгоритм правильно определял общее количество объектов (т.е. 3) в 72,5% случаев.
|
|
|
|
Когда система работала, она могла определять местоположение планет в симуляции с точностью до одного пикселя. Она также могла 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 оно не всегда точно отражает реальный мир. Авторы сделали все возможное, чтобы смоделировать его, намеренно нарушив выравнивание виртуального телескопа и создав наборы данных, используемые в моделировании.
|
|
|
|
Алгоритм смог адаптироваться к этому искусственно созданному шуму в режиме реального времени, при этом его показатель успешности снизился лишь до 71,3%. Однако в реальных телескопах существует множество других источников шума, и пока неясно, насколько хорошо алгоритм может справляться с другими видами шума.
|
|
|
|
Следует признать, что в статье описывается лишь компьютерное моделирование. Но даже при этом она представляет собой огромный шаг вперед в разработке квантовых систем визуализации, способных обнаруживать планеты, в 100 миллионов раз тусклее своих звезд — это колоссальное улучшение по сравнению с существующими квантовыми системами визуализации, которые способны обеспечить контрастность в 1/1000 между целевой планетой и ее звездой.
|
|
|
|
Она также четко обозначает путь для разработчиков аппаратного обеспечения. Хотя физические реализации обычно значительно отстают от теоретических достижений, это лишь вопрос времени, когда кто-то создаст одну из таких систем и попытается с ее помощью найти новую экзопланету.
|
|
|
|
Остается выяснить, какие еще проблемы необходимо решить для успеха этой работы. 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.
|
|
|
|
Источник
|
