Сочетание квантового алгоритма и технологий обработки квантовой информации может позволить исследователям измерять массы космических объектов, которые почти незаметно преломляют свет.
Скопление галактик создает гравитационное линзирование, преломляя свет вокруг себя. NASA, ESA, Майкл Глэддерс (Чикагский университет); Благодарность: Джуди Шмидт
Квантовая физика может оказаться секретным ингредиентом для понимания космических объектов, которые наши телескопы не могут показать нам в деталях или вообще не могут.
Чтобы понять космос, мы собираем и анализируем свет, идущий от таких объектов, как звёзды, в наши телескопы. Однако этот свет не всегда движется по прямой. Часто, проходя мимо очень массивного объекта, например, планеты или чёрной дыры, траектория света искривляется, создавая искажённые изображения, как будто где-то по пути была добавлена дополнительная линза.
Но как насчёт объектов, которые не являются космическими тяжеловесами и обладают относительно небольшой массой? Традиционные методы визуализации не справляются с такими явлениями «микролинзирования», но Чжэньнин Лю из Мэрилендского университета и его коллеги продемонстрировали, что протокол анализа света, учитывающий его квантовость, может справляться с этим гораздо лучше.
Они сосредоточились на использовании квантовых свойств света для определения массы объектов, вызывающих микролинзирование. Лю говорит, что исследователи могут определить момент микролинзирования по увеличению яркости света. Это позволяет им определить, что между нами и источником света находится объект, но если этот объект не очень большой, они не могут определить его массу по свойствам света, которые уже измеряют телескопы. К таким объектам могут относиться небольшие изолированные чёрные дыры и даже некоторые планеты-блуждающие.
Но свет состоит из фотонов, квантовых частиц, поэтому информация об их движении к Земле также кодируется в их квантовых свойствах. Примечательно, что всякий раз, когда у фотона есть возможность выбрать несколько различных путей вокруг объекта, каждый из которых требует разного времени прохождения, эта разница изменяет квантовые свойства фотона. Поскольку квантовые частицы иногда ведут себя подобно волнам, эти фотоны могут фактически проходить оба пути вокруг объекта одновременно, как волна на поверхности воды, сталкивающаяся с камнем. Протокол команды превосходно извлекает разницу во времени между двумя путями, которую затем можно перевести в массу объекта.
Лю утверждает, что планета или чёрная дыра, создающие микролинзирование, не обязательно будут невидимы при всех других наблюдениях. Но эти методы могут потребовать сбора гораздо большего количества света, что эквивалентно строительству всё более крупных телескопов. Квантовый подход будет работать с относительно небольшим количеством фотонов.
Например, математический анализ, проведённый его командой, показал, что протокол будет хорошо работать для звёзд в галактическом балдже, части Млечного Пути, где ранее были обнаружены тёмные объекты благодаря исследованиям гравитационного линзирования. Поскольку новый протокол не требует полноценного квантового компьютера и может быть реализован с использованием более стандартных устройств, улавливающих и анализирующих по одному фотону, в сочетании с обычными компьютерами, он также имеет шанс быть протестирован на практике в течение нескольких лет.
Дэниел Ой из Университета Стратклайда в Великобритании утверждает, что квантовый подход обеспечивает экспоненциальное улучшение способности извлекать информацию о временной задержке из света, преимущество, которое он сравнивает со Святым Граалем квантовых технологий. Ой утверждает, что квантовые технологии естественным образом подходят для слабых астрономических сигналов, таких как небольшое количество фотонов, поскольку квантовая теория лежит в основе многих ограничений на точность измерений в физике.
Ссылка: arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2510.07898
Источник: www.newscientist.com
