Квантовый алгоритм может помочь обнаружить скрытые космические объекты

Квантовая физика может быть секретным ингредиентом для понимания космических объектов, которые наши телескопы не могут показать нам в деталях или вообще не могут показать.

Чтобы понять пространство, мы собираем и анализируем свет, который распространяется от таких объектов, как звезды, в наши телескопы, но этот свет не всегда распространяется по прямым линиям. Часто, когда он проходит мимо очень массивного объекта, такого как планета или черная дыра, траектория света искривляется и создает искаженные изображения, как будто где-то по пути была добавлена дополнительная линза.

А как насчет объектов, которые не являются космическими тяжеловесами и имеют относительно небольшую массу? Традиционные методы визуализации не справляются с такими явлениями «микролинзирования», но Женнин Лю из Университета Мэриленда и его коллеги теперь продемонстрировали, что протокол анализа света, учитывающий его квантовость, может работать намного лучше.

Они сосредоточились на использовании квантовых свойств света для распознавания массы объектов, вызывающих микролинзирование. Лю говорит, что исследователи могут сказать, когда происходит событие микролинзирования, потому что свет становится ярче. Это позволяет им знать, что между нами и источником света есть объект, но если этот объект не огромен, они не могут сделать вывод о его массе на основе свойств света, которые уже измеряют телескопы. К таким объектам могут относиться небольшие изолированные черные дыры и даже некоторые планеты-изгои.

Но свет состоит из фотоныкоторые являются квантовыми частицами, поэтому информация об их путешествии к Земле также закодирована в их квантовых свойствах. Примечательно, что всякий раз, когда у фотона есть возможность пройти несколько разных путей вокруг объекта, каждый из которых требует разного времени путешествия, эта разница меняет квантовые свойства фотона. Поскольку квантовые частицы иногда могут вести себя как волны, эти фотоны могут эффективно проходить оба пути вокруг объекта одновременно, как волна воды, встречающаяся с камнем. Протокол команды превосходно извлекает разницу во времени между обоими путями, которую затем можно перевести в массу объекта.

Лю говорит, что планета или черная дыра, создающая микролинзирование, не обязательно будет невидимой во всех других наблюдениях. Но эти методы могут потребовать сбора гораздо большего количества света, что эквивалентно необходимости строить все более крупные телескопы. Квантовый подход будет работать с относительно небольшим количеством фотонов.

Например, математический анализ его команды показал, что протокол будет хорошо работать для звезд в галактической выпуклости, части Млечного Пути, где темные объекты ранее были обнаружены посредством исследований гравитационного линзирования. Потому что новый протокол не требует полноценного столько же, сколько компьютер и может быть реализован с помощью более стандартных устройств, которые захватывают и анализируют по одному фотону за раз, в сочетании с обычными компьютерами; у него также есть шанс быть проверенным на практике в течение нескольких лет.

Дэниел Хай в Университете Стратклайда в Великобритании говорят, что квантовый подход предлагает экспоненциальное улучшение способности извлекать информацию о временной задержке из света, преимущество, которое он сравнивает со Святым Граалем квантовой технологии. Ои говорит, что квантовые технологии естественным образом подходят для слабых астрономических сигналов, таких как небольшое количество фотонов, поскольку квантовая теория является источником многих ограничений на то, насколько точно что-то можно измерить в физике.

Ссылка: arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2510.07898