Kvantová revoluce, nebo jen další metoda?

Objevování planet mimo naši Sluneční soustavu, exoplanet, se stalo téměř rutinou. Každou chvíli slyšíme o nějaké nové „super-Zemi“ nebo „horkém Jupiteru“, až se zdá, že vesmír je jimi doslova posetý. Jenže najít je, zvláště ty menší a blízko jejich hvězd, je stále technologická výzva hodná obdivu. Představte si, že hledáte světlušku vedle majáku – a to na vzdálenost stovek světelných let. Astronomové proto neustále vymýšlejí nové triky, jak slabý signál planety vydolovat z oslepující záře její mateřské hvězdy.

Jedním z takových „triků“, který v posledních letech vzbudil značná očekávání, je metoda SPADE (Spatial Demultiplexing). Teoretici ukázali, že v ideálním světě bez jakýchkoli rušivých vlivů by SPADE měla být kvantově optimální pro rozlišení dvou blízkých zdrojů světla – třeba právě hvězdy a její planety. To zní skvěle, že? Kvantově optimální znamená, že lépe už to z principu nejde, alespoň podle známých fyzikálních zákonů. Člověk by skoro čekal titulky jako „Kvantová fyzika dává astronomům superschopnosti!“

Schematické znázornění uvažovaného scénáře měření. Podle hypotézy H0 existuje pouze jeden zdroj. Při hypotéze H1 existují dva zdroje vzdálené od sebe vzdáleností d a vyznačující se relativní jasností ν, se stejnou celkovou jasností jako zdroj z hypotézy H0. V obou hypotézách je souřadnicový systém zarovnán se středem jasnosti systému. Měření SPADE je zranitelné dvěma formami experimentálního šumu: přeslechy, tj. možností změřit foton v nesprávném režimu, a temnými počty, tj. možností změřit foton nepocházející ze studovaného systému. Zdroj: Upraveno z Fig. 1 studie arXiv:2505.00064v1.

Střet s realitou: Všudypřítomný šum

Jenže, jak už to tak bývá, ideální svět existuje pouze v rovnicích teoretických fyziků a na stránkách grantových žádostí. Reálné experimenty jsou vždy zatíženy nedokonalostmi a šumem. Detektory mají své limity, optika není dokonalá, atmosféra se vlní (pokud nepozorujeme z vesmíru, což je zase drahé) a samotné světlo hvězd a planet podléhá kvantovým fluktuacím. Nedávné studie naznačily, že právě v přítomnosti šumu by efektivita SPADE mohla dramaticky klesat, zejména při odhadování vzdálenosti mezi zdroji nebo při rozlišování dvou symetrických zdrojů.

Polsko-německý tým vědců – Tomasz Linowski, Konrad Schlichtholz a Giacomo Sorelli – se proto rozhodl podívat se na zoubek praktické použitelnosti SPADE pro hlavní úkol: samotnou detekci exoplanety, tedy rozhodnutí, zda tam ta planeta vůbec je, nebo ne (odborně se tomu říká asymetrická diskriminace zdrojů). Vzali do ruky analytické nástroje a prozkoumali, jak si SPADE vede ve srovnání s klasickými metodami, jako je přímé zobrazování (prostě se snažíme planetu vyfotit) a koronografie (kde se světlo hvězdy uměle zacloní, aby vynikla planeta), když započítáme nevyhnutelné experimentální nedokonalosti.

Není všechno zlato, co se třpytí (kvantově)

Výsledky jsou… no, řekněme poučné. Na jednu stranu se ukázalo, že pravděpodobnost detekce planety pomocí „zašuměné“ SPADE klesá s rostoucí vzdáleností planety od hvězdy a s klesajícím poměrem jejich jasností podobně jako u přímého zobrazování nebo koronografů. Žádné kvantové zázraky se tedy nekonají, pokud jde o závislost na těchto klíčových parametrech. Mohlo by se zdát, že nadšení bylo předčasné a SPADE je jen další metodou v arzenálu, nikoli revolucí.

Ale pozor, ďábel se skrývá v detailu, konkrétně v koeficientech. Analýza totiž odhalila, že SPADE si i přes přítomnost šumu zachovává lepší škálovací koeficient. To znamená, že ačkoli se její výkon zhoršuje s obtížnějšími podmínkami (slabší a bližší planeta), zhoršuje se pomaleji než u konvenčních technik.

Graf porovnávající pravděpodobnost detekce pro SPADE, přímé zobrazování a koronografii v závislosti na separaci planeta-hvězda za přítomnosti šumu. Měl by ukazovat, že křivka pro SPADE klesá pomaleji v sub-Rayleighově oblasti. Zdroj: Inspirováno Fig. 2 a 3 ve studii arXiv:2505.00064v1.

Královnou sub-Rayleighova světa

Kde je tedy SPADE skutečně silná? V takzvaném sub-Rayleighově režimu. To je situace, kdy je planeta tak blízko své hvězdě, že je podle klasického Rayleighova kritéria (což je takové tradiční pravítko optiky) prakticky nerozlišitelná. Právě zde, kde klasické metody selhávají nebo mají velké potíže, SPADE díky svému lepšímu škálování i v reálných, zašuměných podmínkách, exceluje.

Takže ano, SPADE možná není onou univerzální zázračnou zbraní, jak se mohlo zdát z prvotních ideálních propočtů. Šum ji částečně degraduje. Ale v kritické oblasti velmi blízkých a slabých planet, což je přesně ten typ světů, které bychom rádi našli (třeba obyvatelné planety u červených trpaslíků?), zůstává i v praxi nejefektivnější dostupnou metodou. Není to sice úplná revoluce, ale rozhodně velmi cenný přírůstek do rodiny nástrojů pro lov exoplanet. A kdo ví, třeba budoucí technologický pokrok dokáže šum ještě více potlačit a potenciál SPADE využít naplno. Zatím se zdá, že i kvantově inspirované metody mohou být užitečnější než ty čistě klasické, přestože na tu pravou kvantovou nadvládu si v astronomii asi ještě počkáme. Inu, jak praví klasik, cesta je cíl – a na téhle cestě jsme zase o kousek dál.

O autorech

Tomasz Linowski a Konrad Schlichtholz působí v Mezinárodním centru pro teorii kvantových technologií na Gdaňské univerzitě v Polsku. Giacomo Sorelli pracuje v německém Fraunhoferově institutu pro optroniku, systémové technologie a zpracování obrazu (IOSB) v Ettlingenu. Společně propojují světy kvantové teorie a praktické astronomie.

Další čtení

• Původní studie: Linowski, T., Schlichtholz, K., & Sorelli, G. (2025). Quantum-inspired exoplanet detection in the presence of experimental imperfections. arXiv:2505.00064 [astro-ph.IM]. (https://arxiv.org/abs/2505.00064)
  • Popis: Plný text vědecké práce, která je základem tohoto článku. Pro ty, kdo se nebojí matematiky a detailních technických argumentů.
• Web Fraunhofer IOSB: (https://www.iosb.fraunhofer.de/en.html)
  • Popis: Informace o jednom z pracovišť autorů, zaměřeném na aplikovaný výzkum v oblasti optroniky a systémových technologií.
• Web ICTQT Gdaňsk: (https://ictqt.ug.edu.pl/)
  • Popis: Stránky Mezinárodního centra pro teorii kvantových technologií, domovské instituce dvou autorů studie.