Главная Новости Астрономы хотят очистить изображения от лишнего звездного шума

Квантовая коррекция ошибок поможет с изображениями звезд

Космос - это неуправляемая стихия. Астрономы не контролируют объекты, которые они изучают. Но они полагаются на современные телескопы и новые методы анализа, создавая изображения с максимально доступным разрешением, пишет Альтернативная наука.

В ход идет любой свет, какой бы слабый или шумный он ни был.

На днях группа ученых предложила еще один способ использования квантовой коррекции ошибок для борьбы со звездным шумом, который улавливается телескопами. По мнению команды, даже самые простые протоколы коррекции ошибок, работающие на квантовых устройствах ближайшего будущего, могут дать значительное преимущество для астрономической визуализации.

Разрешение изображений обычно ограничено дифракцией. Методы квантового зондирования способны обойти это ограничение при условии, если изображаемым объектом можно манипулировать или освещать его.

Но в астрономии такой подход невозможен. Исследователи из Университета Маккуори в Австралии и Национального университета Сингапура (NUS) нашли обходной путь: они показали, что квантовая коррекция ошибок защищает пойманный звездный свет, а также может учитывать нежелательные взаимодействия с окружающей средой.

Идея предложенного командой метода заключается в том, что информация, которую несет свет звезды, распределена по большой квантовой системе в так называемом коде с коррекцией ошибок. Даже если некоторые части системы имеют ошибки, правильная информация может быть восстановлена из оставшейся части.

Не совсем обычная фотография Млечного Пути

Чтобы понять, как работает новая техника, представьте себе двух астрономов. У обоих есть телескопы, но получаемые ими изображения нечеткие и малоинформативны для исследователей.

Поэтому они «объединяют» собранный ими свет, пользуясь методом оптической интерферометрии. Чем дальше друг от друга находятся их телескопы, тем большего разрешения изображения они добиваются.

Однако на практике шум и потери при передаче ухудшают качество сигналов, таким образом ограничивая расстояние между телескопами.

Команда Macquarie-NUS надеется, чтобы квантовые технологии обошли это ограничение, заменив физическую связь (обычно оптическое волокно) между телескопами запутанными кубитами.

Кубиты - это системы, которые хранят квантовую информацию, и когда они запутаны, состояния этих систем имеют более сильные корреляции, нежели в классических системах.

В этой логике взаимодействие света и материи переносит информацию из света в стабильное состояние их кубитов. Остается только поманипулировать кубитамми, хранящими информацию о звездном свете.

 

Поскольку кубиты запутаны, информация хранится в квантовом коде с коррекцией ошибок в большом наборе обоих кубитов.

"Результирующее состояние... теперь является ... эквивалентом звездного света, который вошел внутрь", - объясняет Зиксин Хуанг, ведущий автор статьи в Physical Review Letters, посвященной этому исследованию.

Поскольку общее состояние звездного света передается в защищенной форме между кубитами, оно устойчиво к помехам окружающей среды. Если выполнить определенные измерения, можно обнаружить, а затем исправить любые ошибки до получения информации о звездном свете. И только после этого настает время построения искомого изображения.

Кроме того, исследователи показали, что новая техника квантовой коррекции ошибок для визуализации может быть использована даже в квантовых устройствах ближайшего будущего, если удастся получить один из самых простых протоколов коррекции ошибок.

В таком протоколе информация о звездном свете хранится в наборах из трех одинаковых кубитов - защита от ошибок происходит от трехкратного повторения информации.

Хотя большие коды гарантируют лучшую защиту, даже маленький код обеспечит полезную защиту от доминирующего типа ошибок.

Более того, в отличие от квантовых вычислений, для которых требуется уровень ошибок намного меньше 1%, протокол для визуализации может допускать уровень ошибок до 50%, используя только код повторения.

Таким образом, получение изображений со "сверхразрешением" за дифракционным пределом является неожиданным ближайшим примером использования шумных квантовых устройств, хотя технологические проблемы еще остаются: нет самого протокола, а тем более его частей.