Quantum Advantage in Sensing and Imaging through Coherent Nuisance Suppression

In de wereld van de astronomie en microscopie is het doel altijd om de kleinste details van het universum te zien, van verre sterren tot minuscule cellen. Om dit te doen, vertrouwen wetenschappers op licht en vangen ze fotonen op die van een bron naar een detector reizen. Echter, het pad dat deze fotonen afleggen, is zelang niet zonder slag of stoot. Terwijl licht door de atmosfeer of complexe optische systemen reist, komt het turbulentie, verschuivende luchtstromen en imperfecties tegen die het beeld vervormen. Deze vervormingen werken als een sluier, die het beeld vertroebelt en de ware vorm van het geobserveerde object verbergt. Traditioneel hebben wetenschappers geprobeerd dit op te lossen door de vervorming zelf te meten en deze vervolgens van de data af te trekken, een proces dat een enorme hoeveelheid licht en tijd vereist om accuraat te zijn. Wanneer het object erg zwak is, faalt deze methode vaak omdat er simpelweg niet genoeg fotonen zijn om zowel de ruis te meten als het object te zien.

Een team van onderzoekers heeft een fundamenteel andere manier voorgesteld om dit probleem aan te pakken, waarbij de ruis niet wordt behandeld als een probleem dat apart moet worden opgelost, maar als een gedeelde conditie die direct kan worden geannuleerd. In plaats van elk foton individueel te meten en daarna te proberen het beeld te reconstrueren, legt hun nieuwe aanpak meerdere fotonen tegelijk vast en verwerkt deze gezamenlijk terwijl ze zich nog in een kwetsbare kwantumtoestand bevinden. Door deze fotonen verbonden te houden en ze met elkaar te vergelijken voordat ze worden gemeten, kan het systeem de delen van het signaal identificeren die gemeenschappelijk zijn aan alle fotonen — de ruis — en deze te verwijderen, waardoor alleen de unieke informatie over het object overblijft. Deze techniek, die zij "coherent nuisance suppression" noemen, stelt een camera in staat om door de waas heen te kijken met veel minder fotonen dan ooit tevoren, wat de manier waarop we het kosmos en de microscopische wereld observeren potentieel kan revolutioneren.

De onderzoekers, werkzaam bij instellingen waaronder Harvard University en NASA, introduceerden een concept dat zij een "kwantumcamera" noemen. In een standaardcamera raakt licht een sensor, en op het moment dat een foton arriveert, wordt het omgezet in een digitale waarde. Dit proces vernietigt de delicate kwantumverbindingen tussen fotonen. In de kwantumcamera wordt het licht eerst opgevangen en opgeslagen in een speciale reeks kwantumbits, of qubits, die fungend als een geheugen. Dit stelt de camera in staat om de toestand van verschillende fotonen tegelijkertijd vast te houden. Zodra de fotonen zijn opgeslagen, verwerkt een kwantumcomputer ze gezamenlijk. Het cruciale inzicht is dat hoewel de atmosfeer elk foton vervormt, zij nabijgelegen fotonen op een zeer vergelijkbare manier vervormt. Door naar de relatie tussen twee fotonen te kijken in plaats van naar elk foton in isolatie, kan het systeem de gedeelde vervorming wiskundig wegcijferen. Het resultaat is een helder signaal dat de positie en beweging van het object onthult, zelfs als de individuele beelden van die fotonen volledig onherkenbaar zouden zijn geweest.

Om dit idee te testen, ontwikkelde het team een specifiek algoritme genaamd "relational Fourier sampling". Deze methode hoeft vooraf niet te weten hoe het object eruitziet, hoe helder het is of hoeveel objecten er in de scène aanwezig zijn. Het extraheert simpelweg de essentiële relaties tussen de lichtgolven om het beeld te reconstrueren. De onderzoekers voerden gedetailleerde simulaties uit om te zien hoe dit zou werken onder realistische omstandigheden, specifiek voor grondgebonden telescopen die naar de nachthemel kijken. Ze modelleerden de atmosfeer als een verschuivende, turbulente laag die licht vervormt, vergelijkbaar met hoe de lucht trilt door de hitte die van een weg opstijgt. In deze simulaties vergeleken ze hun kwantumcamera met de best mogelijke klassieke methoden, die onder meer geavanceerde technieken bevatten die proberen de atmosferische vervorming te voorspellen en te corrigeren op basis van eerdere metingen.

De resultaten waren opmerkelijk. Voor de taak van het onderscheiden van twee zwakke sterren die zeer dicht bij elkaar staan, had de kwantumcamera meer dan duizend keer minder fotonen nodig om hetzelfde niveau van helderheid te bereiken als de klassieke methoden. In een specifiek scenario met een acht meter grote telescoop kon het kwantumsysteem de scheiding tussen twee sterren oplossen met slechts ongeveer 15 kwantumverwerkingseenheden en een zeer kort circuit van operaties. In contrast hiermee zou een klassiek systeem een enorme hoeveelheid fotonen moeten verzamelen om de atmosferische waas te overwinnen, wat vaak observatietijden vereist die onpraktisch zijn voor zwakke objecten. Het voordeel was nog dramatischer bij het volgen van bewegende objecten, zoals asteroïden. De kwantumcamera kon het toekomstige pad van een snel bewegende asteroïde met veel hogere precisie voorspellen, met slechts een fractie van het licht dat een traditionele telescoop nodig zou hebben. Dit betekent dat een kwantumcamera met dezelfde hoeveelheid observatietijd objecten kan zien die aanzienlijk zwakker zijn of veel sneller bewegen dan wat momenteel mogelijk is.

Het artikel benadrukt dat dit voordeel niet slechts een theoretische mogelijkheid is, maar een bewezen wiskundige scheiding. De onderzoekers lieten zien dat voor een breed scala aan realistische omstandigheden, de kwantumbenadering exponentieel efficiënter is dan elke klassieke strategie die fotonen één voor één of in kleine, aparte groepen meet. Ze demonstreerden dat deze efficiëntie standhoudt, zelfs wanneer het klassieke systeem perfecte kennis heeft van de atmosferische omstandigheden en de meest geavanceerde voorspellingsalgoritmen gebruikt. De kwantummethode werkt omdat deze toegang krijgt tot informatie die fysiek onmogelijk te achterhalen is zodra de fotonen afzonderlijk zijn gemeten. Door de fotonen in een kwantumtoestand te houden en ze gezamenlijk te verwerken, behoudt de camera de subtiele correlaties die het ware beeld dragen, terwijl de ruis zichzelf wegcijfert.

Hoewel het artikel een werkend algoritme en sterke simulatieresultaten beschrijft, erkent het ook de praktische uitdagingen bij het bouwen van een dergelijk apparaat. De technologie vereist het vermogen om individuele fotonen te vangen en hun toestand met hoge getrouwheid over te dragen naar een kwantumgeheugen, een prestatie die momenteel in laboratoria wordt ontwikkeld. De onderzoekers merken op dat de benodigde hardware relatief bescheiden is vergeleken met de enorme kwantumcomputers die vaak voor andere taken worden besproken; hun voorgestelde camera zou slechts enkele tientallen qubits en eenvoudige circuits nodig hebben. Ze wijzen er ook op dat de methode robuust is tegen de kleine fouten die de huidige hardware zou kunnen introduceren. Het werk suggereert dat de weg naar praktisch kwantumvoordeel in sensortechnologie niet wacht op perfecte, foutloze machines, maar op de integratie van kwantumgeheugen en -verwerking in bestaande optische systemen.

Dit onderzoek opent een nieuwe deur voor de astronomie, waar het vermogen om zwakke, snel bewegende of dicht bij elkaar staande objecten te zien wordt beperkt door de ruis van de atmosfeer. Door gebruik te maken van de kwantumnatuur van licht om deze ruis direct te onderdrukken, zou de kwantumcamera grondgebonden telescopen in staat kunnen stellen taken uit te voeren die momenteel ruimtemachines of onbetaalbaar lange observatietijden vereisen. Dezelfde principes zouden van toepassing kunnen zijn op andere gebieden waar signalen begraven liggen in ruis, van medische beeldvorming tot het volgen van satellieten. De studie concludeert dat door de focus te verleggen van het meten van de ruis naar het elimineren ervan door gezamenlijke kwantumverwerking, we een nieuw niveau van gevoeligheid kunnen ontsluiten in hoe we de wereld observeren, waarbij we de beperkingen van onze omgeving transformeren tot een oplosbare puzzel.