Астрономы обнаружили тысячи планет, вращающихся вокруг звезд за пределами нашей Солнечной системы, но считается, что существуют еще миллиарды. Проблема заключается в обнаружении и изучении этих экзопланет, которые находятся на невероятно больших расстояниях и излучают слабые, часто замаскированные, световые сигналы. Новые исследования показывают, что квантовые компьютеры могут революционизировать этот процесс, позволяя получать более четкие изображения и, возможно, выявлять молекулярные следы этих далеких миров.
Проблема с традиционной визуализацией
Современные методы затрудняются в улавливании слабых световых сигналов от экзопланет. Эти сигналы, пройдя огромные космические расстояния, рассеиваются и теряются в ярком звездном свете. Йоханнес Боррегаард из Гарвардского университета и его команда пришли к выводу, что эта задача может быть схожа с обнаружением всего одного фотона за секунду работы телескопа – невероятно сложная задача для классических компьютеров.
Как квантовые компьютеры могут помочь
Квантовые компьютеры предлагают уникальное преимущество: они могут хранить квантовые состояния поступающих фотонов и использовать квантовые свойства для извлечения информации, которая в противном случае была бы потеряна. Это означает, что размытые, нечеткие изображения – или даже отдельные расплывчатые точки, представляющие экзопланеты – можно превратить в более четкие и детальные изображения.
Предлагаемая система включает в себя два ключевых компонента. Во-первых, свет от экзопланеты должен попадать на квантовое вычислительное устройство, построенное из специально разработанных алмазов (уже доказавших свою эффективность в хранении состояний фотонов). Во-вторых, эта квантовая информация должна передаваться на более мощный квантовый компьютер, возможно, построенный из сверххолодных атомов, для запуска алгоритма, предназначенного для реконструкции изображения.
Значительный прирост эффективности
Расчеты показывают, что эта квантовая установка может достичь сопоставимого качества изображения, используя лишь дробь фотонов, необходимых традиционным методам – потенциально снижая требования в сотни или даже тысячи раз. Это особенно ценно при работе с чрезвычайно слабыми источниками света.
Проблемы и текущие исследования
Хотя это и перспективно, реализация этой системы не является простой задачей. Космо Лупо из Политехнического университета Бари отмечает, что соединение и контроль производительности обоих квантовых компьютеров является сложным препятствием. Боррегаард признает это, заявляя, что его исследовательская группа и другие активно работают над решениями. Тенденция использования квантовой механики для космических наблюдений уже развивается: одна схема недавно была использована для наблюдения звезды в созвездии Малого Пса.
«Фотоны подчиняются законам квантовой механики. Следовательно, естественно…исследовать квантовые методы для обнаружения и обработки света, поступающего, например, от экзопланет.» – Космо Лупо, Политехнический университет Бари.
Это исследование представляет собой важный шаг к будущему, где квантовые вычисления могут значительно улучшить нашу способность исследовать и понимать вселенную за пределами нашей Солнечной системы.
