A kvantumhiba-javítás segíthet a csillagászoknak a csillagok leképezésében

Az űr nem műterem: amikor a csillagokat tanulmányozzák, a csillagászoknak nincs befolyásuk a leképezni kívánt objektumokra. Ehelyett a teleszkópok és az elemzési technikák továbbfejlesztésére hagyatkoznak, hogy nagyobb felbontású képeket készítsenek bármilyen fényből, akármilyen gyenge vagy zajos is. A tudósok egy csoportja most egy módszert javasolt a kvantumhiba-korrekció alkalmazására a teleszkópok által rögzített csillagfény zajának leküzdésére. A csapat szerint még a rövid távú kvantumeszközökön futó legegyszerűbb hibajavító protokollok is jelentős előnyt jelenthetnek a csillagászati ​​képalkotásban.

A képfelbontást általában a diffrakció korlátozza. A kvantumérzékelési technikák túlléphetik ezt a határt, ha a leképezett tárgy manipulálható vagy megvilágítható, de ez a csillagászatban nem lehetséges. Az ausztrál Macquarie Egyetem és a Szingapúri Nemzeti Egyetem (NUS) kutatói azonban megtalálták a megoldást: kimutatták, hogy a kvantumhiba-korrekció képes megvédeni a törékeny befogott csillagfényt attól, hogy a környezettel való nem kívánt kölcsönhatások leépüljenek.

Alice és Bob átírják a csillagokat

A csapat által javasolt módszer mögött az az elképzelés áll, hogy a csillagfény által hordozott információkat egy nagy kvantumrendszerben, úgynevezett hibajavító kódban lehetne szétszórni. Ekkor még ha a rendszer egyes részei hibásak is, a többiből a helyes információ rekonstruálható.

Az új technika működésének megértéséhez képzeljünk el két csillagászt, Alice-t és Bobot. Mindkettőnek van teleszkópja, és ha tisztább képet szeretnének készíteni, mint amennyi az egyes távcsövekről külön-külön lehetséges, akkor az összegyűjtött fényt az optikai interferometriának nevezett módszerrel kombinálhatják. Elvileg minél távolabb vannak egymástól a teleszkópjaik, annál nagyobb képfelbontást tudnak közösen elérni. A gyakorlatban azonban a zaj és az átviteli veszteségek rontják Alice és Bob jeleinek minőségét, és korlátozzák, hogy milyen távolságra lehetnek egymástól a teleszkópjaik.

A Macquarie-NUS csapata azt javasolja, hogy a kvantumtechnológiák megkerüljék ezt a korlátozást azáltal, hogy a teleszkóphelyek közötti fizikai kapcsolatot (jellemzően egy optikai szálat) összegabalyodott qubitekkel helyettesítik. A Qubitok olyan rendszerek, amelyek kvantuminformációkat tárolnak, és ha összegabalyodnak, ezeknek a rendszereknek az állapotai erősebb korrelációkat mutatnak, mint a klasszikus rendszerekben megengedettek. Amikor Alice és Bob fényt kap a teleszkópjukon, a fény-anyag kölcsönhatás a fényből az információt a qubitjeik stabil állapotába továbbítja. Ezután mindegyik megfelelő műveleteket alkalmaz a csillagfény információt tároló qubitekre. Mivel a qubitjeik összegabalyodtak, az információ egy kvantumhibajavító kódban tárolódik mindkét qubitjük nagyobb halmazán belül.

„A létrejövő állapot, amelyet Alice és Bob osztozik, most a... megfelelője a behatolt csillagfénynek” – magyarázza Zixin Huang, egy tanulmány vezető szerzője. Fizikai áttekintés betűk a kutatásról. Mivel a csillagfény általános állapota védett formában van megosztva Alice és Bob qubitjei között, ellenáll a környezeti zajnak. Speciális mérések elvégzésével Alice és Bob képes észlelni, majd kijavítani a qubitjeik hibáit, mielőtt lekérnék a csillagfény-információkat, amelyeket aztán felhasználnak a kép elkészítéséhez.

Szuperfelbontású kísérletek a láthatáron

A kutatók az egyik legegyszerűbb hibajavító protokoll vizsgálatával kimutatták, hogy ez a kvantumhiba-korrekciós technika a képalkotáshoz még rövid távú kvantumeszközök esetén is hasznos. Ebben a protokollban a csillagfény információi három azonos qubitből álló halmazokban tárolódnak. Ezt ismétlési kódnak nevezik, mivel a hibák elleni védelem az információ szó szerinti háromszori megismétlése. Míg a nagyobb kódok jobb védelmet nyújtanak, még ez a kis kód is hasznos védelmet nyújtott a domináns hibatípus ellen. Továbbá, ellentétben a kvantumszámítással, amely 1%-nál jóval kisebb hibaarányt igényel, a képalkotási protokoll akár 50%-os hibaarányt is képes elviselni pusztán az ismétlési kód használatával. A diffrakciós határt meghaladó „szuperfelbontású” képalkotás ezért váratlan rövid távú felhasználási eset zajos kvantumeszközök számára, bár technológiai kihívások várnak még azelőtt, hogy a tudósok megvalósíthassák a protokoll különböző részeit.

A kvantumhiba-javítás debütál zéró mágneses mezővel

Mivel a kutatók keretrendszere lehetővé teszi a kvantumhiba-korrekciós technikák alkalmazását minden olyan képalkotási feladatnál, ahol a kísérletező nem tudja felkészíteni az objektumot, alkalmazásai túlmutathatnak a csillagászaton. „Az egyik lehetséges alkalmazás, amelyet néhányunk fontolgat, a magnetometria, ahol kvantumhiba-korrekciót alkalmazunk a mágneses tér érzékelésére szolgáló kvantumérzékelők teljesítményének javítására” – magyarázza Yingkai Ouyang, a NUS vezető tudományos munkatársa, aki részt vett a munkában. „Kísérletezőkkel azon is dolgozunk, hogy a szuperfelbontású képalkotás korábbi protokolljainkat valódi teleszkópokon alkalmazzuk.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/quantum-error-correction-could-help-astronomers-image-stars/