論文の概要: Quantum Limits of Exoplanet Detection and Localization
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2403.17988v3
- Date: Wed, 18 Jun 2025 04:15:12 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-06-19 19:35:51.312555
- Title: Quantum Limits of Exoplanet Detection and Localization
- Title（参考訳）: 太陽系外惑星検出と局在の量子限界
- Authors: Nico Deshler, Sebastiaan Haffert, Amit Ashok,
- Abstract要約: コロナグラフを量子チャネルとして定式化し、古典的なコロナグラフの枠組みを量子設定に一般化する。
我々の分析は、量子最適コロナグラフがサブ回折系において情報効率を向上させることを示唆している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.24578723416255752
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Discovering exoplanets in orbit around distant stars via direct imaging is fundamentally impeded by the combined effect of optical diffraction and photon shot noise under extreme star-planet contrast. Coronagraphs strive to increase the signal-to-noise ratio of exoplanet signatures by optically suppressing light from the host star while preserving light from the exoplanet. However, it is unclear whether direct imaging coronagraphs constitute an optimal strategy for attaining fundamental limits relevant to exoplanet discovery. In this work, we first review the quantum information limits of exoplanet detection and localization characterized by (1) the quantum Chernoff exponent for symmetric hypothesis testing, (2) the quantum relative entropy for asymmetric hypothesis testing, and (3) the quantum Fisher information matrix for multiparameter estimation. We demonstrate that coronagraphs designed to completely suppress light in the fundamental mode of the telescope - while perfectly transmitting higher-order orthogonal modes - indeed achieve these limits in the regime of high star-planet contrasts. Furthermore, we formulate coronagraphs as quantum channels, thus generalizing the classical framework of coronography to the quantum setting. Using this framework, we compare the information-theoretic performance of leading coronagraph designs against the quantum limits. Our analysis indicates that quantum-optimal coronagraphs offer enhanced information efficiency in the sub-diffraction regime compared to leading coronagraph designs and may significantly expand the domain of accessible exoplanets.
- Abstract（参考訳）: 直接撮像によって遠方の恒星の周りを公転する太陽系外惑星の発見は、極端に恒星-惑星のコントラストの下での光回折と光子ショットノイズの複合効果によって、基本的に妨げられている。
コロナグラフは、外惑星からの光を保ちながら、宿主星からの光を光学的に抑制することで、外惑星のシグネチャの信号とノイズの比を増大させようとする。
しかし、直接撮像コロナグラフが太陽系外惑星発見に関する基本的な限界に達するための最適な戦略であるかどうかは不明である。
本研究では,(1)対称仮説検定のための量子チェルノフ指数,(2)非対称仮説検定のための量子相対エントロピー,(3)マルチパラメータ推定のための量子フィッシャー情報行列を特徴とする外惑星検出および局在化の量子情報限界について概説する。
我々は、望遠鏡の基本モードにおける光を完全に抑制するように設計されたコロナグラフが、高次の直交モードを完璧に透過する一方で、高い恒星-惑星のコントラストの体制においてこれらの限界を達成することを実証した。
さらに、コロナグラフを量子チャネルとして定式化し、古典的なコロナグラフの枠組みを量子設定に一般化する。
この枠組みを用いて,主要なコロナグラフ設計における情報理論の性能を量子限界と比較する。
我々の分析は、量子最適コロナグラフは、先行するコロナグラフの設計と比較して、サブ回折方式で情報効率を向上し、アクセス可能な太陽系外惑星の領域を著しく拡大する可能性があることを示唆している。
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