一种新的理论来测试外星行星探测的假设和方法

光学成像系统(模拟成一个薄透镜)用来区分两种假设。假设H0:只有恒星存在。假设H1:存在一个恒星-行星系统，与恒星相比，行星的强度要弱得多。资料来源:Huang & Lupo。

无数天体物理学家和天文学家正在积极地寻找宇宙中无法观测到的天体，因为发现这些天体可以提高我们对空间的理解，并有助于解决悬而未决的天体物理学问题。在这些难以捉摸的物体中有系外行星，即围绕太阳以外的恒星运行的行星，因此在太阳系之外。

阻碍探测系外行星的一个关键挑战是，在现有的方法下，很难看到次级源在一个明亮得多的源附近发出的微弱辐射。这极大地限制了直接成像技术在系外行星搜索中的应用。

英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)和澳大利亚麦考瑞大学(Macquarie University)的研究人员最近表明，在系外行星搜索过程中，探测弱次级源的存在可能会减少误差，特别是在两个源的角度相差很小的情况下。他们发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的论文明确指出，这些误差可以通过量子态识别和量子成像方法来减少。

“我们的工作受到了最近关于超分辨率量子成像的论文的启发，这是由新加坡国立大学的Mankei Tsang和他的同事首次严格量化的，”进行这项研究的研究人员之一Zixin Huang告诉Phys.org。“这些论文表明，使用量子技术可以更好地解决两个非相干源的角分离问题(这是一项估算任务，我们想测量的参数就是角分离)。”

黄和她的同事Cosmo Lupo进行的这项研究背后的总体想法是，量子技术使用了包含在光信号中的相位信息。由于这些信息不能被直接成像方法充分利用，量子技术可能被证明更有效。

当谢菲尔德大学的研究人员第一次考虑这个想法时，黄在Netflix上观看了一部名为《外星世界》的纪录片。这部电影推测了其他星球上可能存在的生命形式，并探索了它们的样子。

在两个源非常接近的限制下，达到最佳误差概率的最佳测量。它是一种多模波导，可以用作空间模式分类器。光子计数在输出端执行。资料来源:Huang & Lupo。

在看《异形世界》的时候，“我想到量子技术可以用于量子识别任务，因为最终，对系外行星的探测归结于我们能否分辨出天空中的一个点和两个点，”黄解释说。“考虑到这一点，我们想研究是否可以在识别任务中获得量子优势。事实证明它可以!”

黄和卢波应用量子信息论的现有结果来限制假阴性的概率(即当研究人员错过了一颗现有的行星时)。这种误差的概率是由一个叫做相对熵的函数表示的，它可以是经典的，也可以是量子的。黄和卢波证明了量子相对熵比经典相对熵大得多。

换句话说，信息已经在光里了;我们只是简单地计算出了完成这项任务的最终量子极限，”黄说。“我们希望尽量减少假阴性，因为行星是罕见的，我们宁愿在发现某些东西时出错，也不愿错过它。幸运的是，我们还发现了匹配测量方法，可以实现这些错误概率。”

在未来，黄和卢波提出的方法可以作为实验人员评估现有探测系外行星技术有效性的基准。此外，它还可以启发开发用于天文学和显微镜研究的替代光学成像工具。

黄补充说:“我们的方法适用于广泛的波长范围，这意味着潜在的应用还包括荧光显微镜、激光雷达探测和其他成像技术。”“我们现在正与赫瑞瓦特大学合作，对论文中发现的优势进行原理证明实验演示。我们还将继续研究量子在成像某些天文物体方面的能力。”

作为他们未来工作的一部分，黄和卢波还计划设计用于光学成像的大型基线纠缠望远镜阵列。大多数现有的相干望远镜阵列都是基于微波技术。然而，如果研究人员能够在光学领域移动这些，他们可能会将这些技术的分辨率提高3到5个数量级。

更多信息:黄自新等，探测系外行星的量子假设检验， 物理评论快报（2021). DOI: 10.1103 / physrevlett.127.130502

Mankei Tsang等，两个非相干光点源的超分辨率量子理论，物理评论X(2016)。DOI: 10.1103 / PhysRevX.6.031033