Astronomen hebben duizenden planeten geïdentificeerd die rond sterren buiten ons zonnestelsel draaien, maar er wordt aangenomen dat er nog miljarden meer bestaan. De uitdaging ligt in het detecteren en bestuderen van deze exoplaneten, die ongelooflijk ver weg staan en zwakke, vaak verduisterde lichtsignalen uitzenden. Nieuw onderzoek suggereert dat kwantumcomputers dit proces radicaal kunnen veranderen, waardoor duidelijkere beelden mogelijk worden en mogelijk moleculaire vingerafdrukken van deze verre werelden kunnen worden onthuld.
Het probleem met conventionele beeldvorming
De huidige methoden hebben moeite om de zwakke lichtsignalen van exoplaneten op te vangen. Deze signalen worden, nadat ze grote kosmische afstanden hebben afgelegd, verdund en overstemd door helderder sterlicht. Johannes Borregaard van de Harvard Universiteit en zijn team realiseerden zich dat deze uitdaging vergelijkbaar zou kunnen zijn met het detecteren van slechts één foton voor elke seconde dat de telescoop in werking is – een ongelooflijk moeilijke taak voor klassieke computers.
Hoe kwantumcomputers kunnen helpen
Kwantumcomputers bieden een uniek voordeel: ze kunnen de kwantumtoestanden van binnenkomende fotonen opslaan en kwantumeigenschappen exploiteren om informatie te extraheren die anders verloren zou gaan. Dit betekent dat wazige, onduidelijke beelden – of zelfs enkele vage stippen die exoplaneten voorstellen – kunnen worden omgezet in scherpere, gedetailleerdere afbeeldingen.
Het voorgestelde systeem omvat twee belangrijke componenten. Ten eerste zou het licht van een exoplaneet een kwantumcomputer raken die is opgebouwd uit speciaal ontworpen diamanten (die al bewezen effectief zijn in het opslaan van fotontoestanden). Ten tweede zou die kwantuminformatie worden doorgegeven aan een krachtigere kwantumcomputer, mogelijk opgebouwd uit extreem koude atomen, om een algoritme uit te voeren dat is ontworpen voor beeldreconstructie.
Aanzienlijke efficiëntiewinst
Berekeningen tonen aan dat deze kwantumopstelling een vergelijkbare beeldkwaliteit zou kunnen bereiken met slechts een fractie van de fotonen die nodig zijn voor traditionele technieken – waardoor de vereisten mogelijk met een factor honderden of zelfs duizenden kunnen worden verminderd. Dit maakt hem vooral waardevol bij extreem zwakke lichtbronnen.
Uitdagingen en voortdurend onderzoek
Hoewel veelbelovend, is de implementatie van dit systeem geen eenvoudige opgave. Cosmo Lupo van de Polytechnische Universiteit van Bari merkt op dat het verbinden en controleren van de prestaties van beide kwantumcomputers een complexe hindernis is. Borregaard erkent dit en stelt dat zijn onderzoeksgroep en anderen actief aan oplossingen werken. De trend om de kwantummechanica te gebruiken voor ruimteobservatie is al aan de gang, waarbij onlangs een schema werd gebruikt om een ster in het sterrenbeeld Canis Minor te observeren.
“Fotonen gehoorzamen aan de regels van de kwantummechanica. Daarom is het natuurlijk… om kwantummethoden te onderzoeken om licht te detecteren en te verwerken dat bijvoorbeeld afkomstig is van exoplaneten.” – Cosmo Lupo, Polytechnische Universiteit van Bari.
Dit onderzoek vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van een toekomst waarin kwantumcomputers ons vermogen om het universum buiten ons zonnestelsel te verkennen en te begrijpen dramatisch kunnen vergroten.
