Kvantefeilkorreksjon kan hjelpe astronomer med å avbilde stjerner

Kvantefeilkorreksjon kan hjelpe astronomer med å avbilde stjerner

Tidsstempel: 10. januar 2023 10:00
Kilde node: 1892240

Digitalt bilde av stjerner på svart bakgrunn
(Med tillatelse: iStock/angelinast)

Rommet er ikke et studio: når de studerer stjerner, har astronomer ingen kontroll over objektene de prøver å avbilde. I stedet er de avhengige av forbedringer av teleskoper og analyseteknikker for å lage bilder med høyere oppløsning fra det lyset de mottar, uansett hvor svakt eller støyende det måtte være. Nå har et team av forskere foreslått en måte å bruke kvantefeilkorreksjon for å bekjempe støy i stjernelyset fanget av teleskoper. Ifølge teamet kan selv de enkleste feilrettingsprotokollene som kjøres på kvanteenheter på kort sikt, tilby en betydelig fordel for astronomisk avbildning.

Bildeoppløsning er vanligvis begrenset av diffraksjon. Kvantesensorteknikker kan overskride denne grensen hvis det avbildede objektet kan manipuleres eller belyses, men dette er ikke mulig i astronomi. Forskere ved Macquarie University i Australia og National University of Singapore (NUS) har imidlertid funnet en løsning: de viste at kvantefeilkorreksjon kan beskytte skjørt fanget stjernelys fra å bli forringet av uønsket interaksjon med omgivelsene.

Alice og Bob skriver om stjernene

Ideen bak teamets foreslåtte metode er at informasjon båret av stjernelyset kan spres over et stort kvantesystem i en såkalt feilkorrigerende kode. Så selv om noen deler av systemet har feil, kan riktig informasjon rekonstrueres fra resten.

For å forstå hvordan den nye teknikken fungerer, se for deg to astronomer, Alice og Bob. Begge har teleskoper, og hvis de ønsker å produsere et klarere bilde enn det som er mulig fra hvert teleskop individuelt, kan de kombinere lyset de samler ved hjelp av en metode som kalles optisk interferometri. I prinsippet, jo lenger fra hverandre teleskopene deres er, jo større bildeoppløsning kan de oppnå i fellesskap. Men i praksis forringer støy og overføringstap kvaliteten på Alices og Bobs signaler, noe som begrenser hvor langt fra hverandre teleskopene deres kan være.

Bilder av Gavin Brennen, Zixin Huang og Yingkai Ouyang
Stjerner i showet: (venstre til høyre) Gavin Brennen, Zixin Huang og Yingkai Ouyang, som foreslo kvantefeilkorreksjonsteknikken for å avbilde stjerner. (Med tillatelse: Gavin Brennen, Zixin Huang og Yingkai Ouyang)

Macquarie-NUS-teamet foreslår at kvanteteknologi kan omgå denne begrensningen ved å erstatte den fysiske koblingen (vanligvis en optisk fiber) mellom teleskopsteder med sammenfiltrede qubits. Qubits er systemer som lagrer kvanteinformasjon, og når de er sammenfiltret, deler tilstandene til disse systemene korrelasjoner som er sterkere enn de som er tillatt i klassiske systemer. Når Alice og Bob mottar lys ved teleskopene sine, overfører en lys-materie-interaksjon informasjon fra lyset til en stabil tilstand av deres qubits. Deretter bruker de passende operasjoner på qubitene som lagrer stjernelysinformasjonen. Siden deres qubits er sammenfiltret, blir informasjonen lagret i en kvantefeilkorrigerende kode innenfor det større settet av begge deres qubits.

"Den resulterende tilstanden delt av Alice og Bob er nå ... ekvivalent med stjernelyset som gikk inn," forklarer Zixin Huang, hovedforfatter av en artikkel i Physical Review Letters på forskningen. Fordi den generelle tilstanden til stjernelyset deles i en beskyttet form på tvers av Alice og Bobs qubits, er den robust mot støy fra miljøet. Ved å utføre spesifikke målinger kan Alice og Bob oppdage og deretter korrigere eventuelle feil på deres qubits før de henter stjernelysinformasjonen, som de deretter bruker til å konstruere bildet sitt.

Eksperimenter med superoppløsning i horisonten

Forskerne viste at denne kvantefeilkorrigeringsteknikken for bildebehandling er nyttig selv med kvanteenheter på kort sikt ved å undersøke en av de enkleste feilkorrigeringsprotokollene. I denne protokollen lagres stjernelysinformasjon i sett med tre identiske qubits. Dette er kjent som repetisjonskoden fordi beskyttelsen mot feil kommer fra å bokstavelig talt gjenta informasjon tre ganger. Mens større koder gir bedre beskyttelse, ga selv denne lille koden nyttig beskyttelse mot den dominerende typen feil. Videre, i motsetning til kvanteberegning, som krever feilrater på mye mindre enn 1 %, kan protokollen for bildebehandling tolerere feilrater på opptil 50 % ved å bruke bare repetisjonskoden. "Superoppløsnings"-avbildning utover diffraksjonsgrensen er derfor en uventet brukssituasjon på kort sikt for støyende kvanteenheter, selv om det gjenstår teknologiske utfordringer før forskere kan implementere de forskjellige delene av protokollen.

Fordi forskernes rammeverk gjør det mulig å bruke kvantefeilkorreksjonsteknikker på enhver bildebehandlingsoppgave der eksperimentatoren ikke er i stand til å forberede objektet, kan anvendelsene strekke seg utover astronomi. "En potensiell applikasjon som noen av oss vurderer er innen magnetometri, hvor vi bruker kvantefeilkorreksjon for å forbedre ytelsen til kvantesensorer for magnetfeltføling," forklarer Yingkai Ouyang, en seniorforsker ved NUS som var involvert i arbeidet. "Vi jobber også med eksperimentelle for å implementere våre tidligere protokoller for superoppløsningsavbildning på ekte teleskoper."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden