Astronomowie odkryli tysiące planet krążących wokół gwiazd poza naszym Układem Słonecznym, ale uważa się, że istnieje ich więcej o miliardy. Wyzwaniem jest znalezienie i zbadanie tych egzoplanet, które znajdują się w niewiarygodnie dużych odległościach i emitują słabe, często zakamuflowane sygnały świetlne. Nowe badania sugerują, że komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować ten proces, umożliwiając uzyskanie wyraźniejszych obrazów i prawdopodobnie ujawniając molekularne sygnatury tych odległych światów.
Problem z tradycyjnym renderowaniem
Obecne metody mają trudności z wykryciem słabych sygnałów świetlnych z egzoplanet. Sygnały te, po przebyciu ogromnych kosmicznych odległości, zostają rozproszone i utracone w jasnym świetle gwiazd. Johannes Borregaard z Uniwersytetu Harvarda i jego zespół doszli do wniosku, że zadanie to można porównać do wykrywania zaledwie jednego fotonu na sekundę działania teleskopu – co jest niezwykle trudnym zadaniem dla klasycznych komputerów.
Jak komputery kwantowe mogą pomóc
Komputery kwantowe oferują wyjątkową zaletę: mogą przechowywać stany kwantowe przychodzących fotonów i wykorzystywać właściwości kwantowe do wydobywania informacji, które w przeciwnym razie zostałyby utracone. Oznacza to, że rozmyte, rozmyte obrazy – a nawet pojedyncze niewyraźne kropki przedstawiające egzoplanety – można przekształcić w ostrzejsze i bardziej szczegółowe obrazy.
Proponowany system składa się z dwóch kluczowych elementów. Najpierw światło egzoplanety musi trafić w kwantowe urządzenie obliczeniowe zbudowane ze specjalnie zaprojektowanych diamentów (które okazały się już skuteczne w przechowywaniu stanów fotonów). Po drugie, informacje kwantowe należy przenieść do mocniejszego komputera kwantowego, być może zbudowanego z ultrazimnych atomów, aby uruchomić algorytm mający na celu rekonstrukcję obrazu.
Znaczący wzrost wydajności
Obliczenia pokazują, że dzięki tej konfiguracji kwantowej można uzyskać porównywalną jakość obrazu przy użyciu jedynie ułamka fotonów wymaganych tradycyjnymi metodami, co potencjalnie zmniejsza wymagania setki, a nawet tysiące razy. Jest to szczególnie cenne podczas pracy z wyjątkowo słabymi źródłami światła.
Zagadnienia i aktualne badania
Choć obiecujące, wdrożenie tego systemu nie jest zadaniem prostym. Cosmo Lupo z Politechniki w Bari zauważa, że połączenie i kontrolowanie wydajności obu komputerów kwantowych jest trudną przeszkodą. Borregaard przyznaje to, twierdząc, że jego grupa badawcza i inne osoby aktywnie pracują nad rozwiązaniami. Trend wykorzystania mechaniki kwantowej do obserwacji kosmosu już się rozwija: niedawno wykorzystano jeden ze schematów do obserwacji gwiazdy w konstelacji Małego Psa.
„Fotony podlegają prawom mechaniki kwantowej. Dlatego naturalnym… jest poszukiwanie kwantowych metod wykrywania i przetwarzania światła pochodzącego np. z egzoplanet.” – Cosmo Lupo, Politechnika w Bari.
Badania te stanowią ważny krok w przyszłość, w której obliczenia kwantowe mogą znacznie poprawić naszą zdolność do badania i rozumienia wszechświata poza naszym Układem Słonecznym.
