Astronomen haben Tausende von Planeten identifiziert, die Sterne außerhalb unseres Sonnensystems umkreisen, aber es wird angenommen, dass es noch Milliarden mehr gibt. Die Herausforderung besteht darin, diese Exoplaneten zu entdecken und zu untersuchen, die unglaublich weit entfernt sind und schwache, oft verdeckte Lichtsignale aussenden. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Quantencomputer diesen Prozess revolutionieren könnten, indem sie klarere Bilder ermöglichen und möglicherweise molekulare Fingerabdrücke dieser fernen Welten enthüllen.
Das Problem der konventionellen Bildgebung
Aktuelle Methoden haben Schwierigkeiten, die schwachen Lichtsignale von Exoplaneten zu erfassen. Nachdem diese Signale große kosmische Distanzen zurückgelegt haben, werden sie durch helleres Sternenlicht verwässert und übertönt. Johannes Borregaard von der Harvard University und sein Team erkannten, dass diese Herausforderung darin bestehen könnte, nur ein Photon pro Sekunde Teleskopbetrieb zu erfassen – eine unglaublich schwierige Aufgabe für klassische Computer.
Wie Quantencomputer helfen könnten
Quantencomputer bieten einen einzigartigen Vorteil: Sie können die Quantenzustände einfallender Photonen speichern und Quanteneigenschaften nutzen, um Informationen zu extrahieren, die andernfalls verloren gehen würden. Dies bedeutet, dass verschwommene, undeutliche Bilder – oder sogar einzelne unscharfe Punkte, die Exoplaneten darstellen – in schärfere, detailliertere Darstellungen umgewandelt werden könnten.
Das vorgeschlagene System umfasst zwei Schlüsselkomponenten. Erstens würde Licht von einem Exoplaneten auf ein Quantencomputergerät treffen, das aus speziell hergestellten Diamanten besteht (die sich bereits als wirksam bei der Speicherung von Photonenzuständen erwiesen haben). Zweitens würden diese Quanteninformationen an einen leistungsfähigeren Quantencomputer weitergeleitet, der möglicherweise aus extrem kalten Atomen besteht, um einen Algorithmus zur Bildrekonstruktion auszuführen.
Signifikante Effizienzsteigerungen
Berechnungen zeigen, dass dieser Quantenaufbau eine vergleichbare Bildqualität mit nur einem Bruchteil der Photonen erzielen könnte, die bei herkömmlichen Techniken benötigt werden – was den Bedarf möglicherweise um den Faktor Hundert oder sogar Tausend reduzieren würde. Dies macht es besonders wertvoll beim Umgang mit extrem schwachen Lichtquellen.
Herausforderungen und laufende Forschung
Die Implementierung dieses Systems ist zwar vielversprechend, aber keine leichte Aufgabe. Cosmo Lupo von der Polytechnischen Universität Bari stellt fest, dass die Verbindung und Steuerung der Leistung beider Quantencomputer eine komplexe Hürde darstellt. Borregaard erkennt dies an und erklärt, dass seine Forschungsgruppe und andere aktiv an Lösungen arbeiten. Der Trend, die Quantenmechanik für die Weltraumbeobachtung zu nutzen, ist bereits im Gange, wobei kürzlich ein Schema zur Beobachtung eines Sterns im Sternbild Canis Minor verwendet wurde.
„Photonen gehorchen den Regeln der Quantenmechanik. Daher liegt es nahe, Quantenmethoden zu untersuchen, um Licht beispielsweise von Exoplaneten zu erkennen und zu verarbeiten.“ – Cosmo Lupo, Polytechnische Universität Bari.
Diese Forschung stellt einen wichtigen Schritt in eine Zukunft dar, in der Quantencomputer unsere Fähigkeit, das Universum außerhalb unseres Sonnensystems zu erforschen und zu verstehen, erheblich verbessern könnten.
