Un système d'imagerie optique (modélisé comme une lentille mince) est utilisé pour discriminer entre deux hypothèses. Hypothèse H0 :seule l'étoile est présente. Hypothèse H1 :il y a un système étoile-planète présent, où la planète a une intensité beaucoup plus faible par rapport à l'étoile. Crédit :Huang &Lupo.
D'innombrables astrophysiciens et astronomes recherchent activement des corps célestes non observés dans l'univers, car la détection de ces corps pourrait améliorer notre compréhension de l'espace et aider à répondre aux questions astrophysiques sans réponse. Parmi ces objets insaisissables se trouvent les exoplanètes, planètes qui orbitent autour d'une étoile autre que le soleil, donc en dehors du système solaire.
Un défi crucial entravant la détection des exoplanètes est qu'avec les méthodes existantes, il est difficile de voir une faible émission d'une source secondaire qui se trouve à proximité d'une source beaucoup plus lumineuse. Cela limite considérablement l'utilisation de techniques d'imagerie directe dans les recherches d'exoplanètes.
Des chercheurs de l'Université de Sheffield au Royaume-Uni et de l'Université Macquarie en Australie ont récemment montré qu'il pourrait être possible de réduire les erreurs de détection de la présence d'une source secondaire faible lors des recherches d'exoplanètes, en particulier dans les cas où deux sources ont de petites séparations angulaires. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , suggère spécifiquement que ces erreurs pourraient être réduites en utilisant des méthodes de discrimination d'état quantique et d'imagerie quantique.
"Nos travaux ont été inspirés par des articles récents sur l'imagerie quantique à super-résolution, qui a d'abord été rigoureusement quantifié par Mankei Tsang et ses collègues de l'Université nationale de Singapour, " Zixin Huang, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Ces articles ont montré que la séparation angulaire de deux sources incohérentes peut être bien mieux résolue en utilisant des techniques quantiques (il s'agit d'une tâche d'estimation, où le paramètre que nous voulons mesurer est la séparation angulaire)."
L'idée générale derrière l'étude menée par Huang et son collègue Cosmo Lupo est que les techniques quantiques utilisent l'information de phase contenue dans le signal optique. Comme ces informations ne sont pas correctement exploitées par les méthodes d'imagerie directe, les techniques quantiques pourraient s'avérer plus efficaces.
Alors que les chercheurs de l'Université de Sheffield ont d'abord envisagé cette idée, Huang a regardé un documentaire spéculatif sur Netflix intitulé "Alien Worlds". Le film spécule sur les formes de vie possibles qui pourraient exister sur d'autres planètes et explore à quoi elles peuvent ressembler.
La mesure optimale qui atteint les probabilités d'erreur optimales, dans la limite où les deux sources sont très proches. Il s'agit d'un guide d'ondes multimode qui peut être utilisé comme trieur de mode spatial. Le comptage de photons est effectué en sortie. Crédit :Huang &Lupo.
"En regardant "Alien Worlds, " il m'est venu à l'esprit que les techniques quantiques pouvaient être utilisées pour une tâche de discrimination quantique, comme finalement, la détection des exoplanètes se résume à savoir si on fait la différence entre un spot et deux spots dans le ciel, " expliqua Huang. " En gardant cela à l'esprit, nous avons pensé étudier si un avantage quantique peut être obtenu pour une tâche de discrimination. Il s'avère que c'est possible !"
Huang et Lupo ont appliqué un résultat existant dans la théorie de l'information quantique pour limiter la probabilité d'un faux négatif (c'est-à-dire, lorsqu'une planète existante est manquée par les chercheurs). Une telle probabilité d'erreur est exprimée par une fonction appelée l'entropie relative, qui est soit classique soit quantique. Huang et Lupo ont montré que l'entropie relative quantique est beaucoup plus grande que l'entropie classique.
"En d'autres termes, l'information est déjà là dans la lumière; nous avons simplement calculé la limite quantique ultime quant à la façon dont vous pouvez faire avec cette tâche, " a déclaré Huang. "Nous voulions minimiser les faux négatifs, car les planètes sont rares, et nous préférerions de loin faire une erreur en trouvant quelque chose plutôt que de le manquer. Avec un peu de chance, nous avons également trouvé la mesure correspondante qui pourrait atteindre ces probabilités d'erreur."
À l'avenir, la méthode introduite par Huang et Lupo pourrait servir de référence pour les expérimentateurs cherchant à évaluer l'efficacité des techniques existantes de détection d'exoplanètes. En outre, il pourrait inspirer le développement d'outils alternatifs d'imagerie optique, à la fois pour les études d'astronomie et de microscopie.
"Notre méthode s'applique à une large gamme de longueurs d'onde, ce qui signifie que les applications potentielles incluent également la microscopie à fluorescence, Détection LIDAR, et d'autres techniques d'imagerie, " Huang a ajouté. " Nous collaborons maintenant avec l'Université Heriot-Watt pour effectuer une démonstration expérimentale de preuve de principe de l'avantage découvert dans l'article. Nous continuerons également à étudier dans quelle mesure le quantum peut aider à imager certains objets astronomiques. »
Dans le cadre de leurs futurs travaux, Huang et Lupo prévoient également de concevoir une grande base de référence, réseaux de télescopes compatibles avec l'intrication pour l'imagerie optique. La plupart des réseaux de télescopes cohérents existants sont basés sur la technologie micro-ondes. Cependant, si les chercheurs pouvaient les déplacer dans le domaine optique, ils pourraient potentiellement augmenter la résolution de ces techniques de 3 à 5 ordres de grandeur.
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