La corrección de errores cuánticos podría ayudar a los astrónomos a obtener imágenes de estrellas

El espacio no es un estudio: cuando estudian las estrellas, los astrónomos no tienen control sobre los objetos que intentan captar. En cambio, confían en las mejoras de los telescopios y las técnicas de análisis para crear imágenes de mayor resolución a partir de cualquier luz que reciban, por débil o ruidosa que sea. Ahora, un equipo de científicos ha propuesto una forma de utilizar la corrección de errores cuánticos para combatir el ruido en la luz de las estrellas captada por los telescopios. Según el equipo, incluso los protocolos de corrección de errores más simples que se ejecutan en dispositivos cuánticos a corto plazo podrían ofrecer una ventaja significativa para las imágenes astronómicas.

La resolución de la imagen suele estar limitada por la difracción. Las técnicas de detección cuántica pueden superar este límite si el objeto de la imagen se puede manipular o iluminar, pero esto no es posible en astronomía. Sin embargo, los investigadores de la Universidad Macquarie en Australia y la Universidad Nacional de Singapur (NUS) han encontrado una solución alternativa: demostraron que la corrección de errores cuánticos puede proteger la frágil luz estelar capturada de ser degradada por interacciones no deseadas con su entorno.

Alice y Bob reescriben las estrellas

La idea detrás del método propuesto por el equipo es que la información transportada por la luz de las estrellas podría distribuirse en un gran sistema cuántico en el llamado código de corrección de errores. Entonces, incluso si algunas partes del sistema tienen errores, la información correcta se puede reconstruir a partir del resto.

Para comprender cómo funciona la nueva técnica, imagina a dos astrónomos, Alice y Bob. Ambos tienen telescopios, y si quieren producir una imagen más clara de lo que es posible con cada telescopio individualmente, pueden combinar la luz que recolectan usando un método llamado interferometría óptica. En principio, cuanto más separados estén sus telescopios, mayor será la resolución de imagen que puedan lograr juntos. Sin embargo, en la práctica, el ruido y las pérdidas de transmisión degradan la calidad de las señales de Alice y Bob, lo que limita la distancia entre sus telescopios.

El equipo de Macquarie-NUS propone que las tecnologías cuánticas podrían eludir esta restricción reemplazando el enlace físico (típicamente una fibra óptica) entre los sitios del telescopio con qubits entrelazados. Los qubits son sistemas que almacenan información cuántica y, cuando se entrelazan, los estados de estos sistemas comparten correlaciones que son más fuertes que las permitidas en los sistemas clásicos. Cuando Alice y Bob reciben luz en sus telescopios, una interacción luz-materia transfiere información de la luz a un estado estable de sus qubits. Luego, cada uno aplica operaciones adecuadas a los qubits que almacenan la información de la luz de las estrellas. Dado que sus qubits están entrelazados, la información se almacena en un código cuántico de corrección de errores dentro del conjunto más grande de ambos qubits.

"El estado resultante compartido por Alice y Bob ahora es el... equivalente a la luz de las estrellas que entró", explica Zixin Huang, autor principal de un artículo en Physical Review Letters sobre la investigacion. Debido a que el estado general de la luz de las estrellas se comparte de forma protegida entre los qubits de Alice y Bob, es resistente al ruido del entorno. Al realizar mediciones específicas, Alice y Bob pueden detectar y luego corregir cualquier error en sus qubits antes de recuperar la información de la luz de las estrellas, que luego usan para construir su imagen.

Experimentos de superresolución en el horizonte

Los investigadores demostraron que esta técnica de corrección de errores cuánticos para imágenes es útil incluso con dispositivos cuánticos a corto plazo al investigar uno de los protocolos de corrección de errores más simples. En este protocolo, la información de la luz de las estrellas se almacena en conjuntos de tres qubits idénticos. Esto se conoce como el código de repetición porque la protección contra errores proviene de repetir literalmente la información tres veces. Si bien los códigos más grandes brindan una mejor protección, incluso este código pequeño proporcionó una protección útil contra el tipo de error dominante. Además, a diferencia de la computación cuántica, que requiere tasas de error de mucho menos del 1 %, el protocolo para la generación de imágenes puede tolerar tasas de error de hasta el 50 % usando solo el código de repetición. Por lo tanto, las imágenes de "súper resolución" más allá del límite de difracción son un caso de uso inesperado a corto plazo para dispositivos cuánticos ruidosos, aunque quedan desafíos tecnológicos antes de que los científicos puedan implementar las diferentes partes del protocolo.

La corrección de errores cuánticos hace su debut en campo magnético cero

Debido a que el marco de trabajo de los investigadores permite que las técnicas de corrección de errores cuánticos se apliquen a cualquier tarea de obtención de imágenes en la que el experimentador no pueda preparar el objeto, sus aplicaciones podrían extenderse más allá de la astronomía. "Una aplicación potencial que algunos de nosotros estamos considerando es la magnetometría, donde usamos la corrección de errores cuánticos para mejorar el rendimiento de los sensores cuánticos para la detección de campos magnéticos", explica Yingkai Ouyang, investigador principal de NUS que participó en el trabajo. "También estamos trabajando con experimentadores para implementar nuestros protocolos anteriores para imágenes de súper resolución en telescopios reales".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/quantum-error-correction-could-help-astronomers-image-stars/