論文の概要: Experimental Demonstration of a Quantum-Optimal Coronagraph Using Spatial Mode Sorters
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.12776v1
- Date: Wed, 17 Jul 2024 17:55:39 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-07-18 16:06:20.158678
- Title: Experimental Demonstration of a Quantum-Optimal Coronagraph Using Spatial Mode Sorters
- Title（参考訳）: 空間モードソータを用いた量子最適コロナグラフの実験的研究
- Authors: Nico Deshler, Itay Ozer, Amit Ashok, Saikat Guha,
- Abstract要約: 理想的な直接イメージングコロナグラフは、外惑星検出と局在化の量子情報限界を達成するために示されている。
空間モード(de)多重化を用いた量子最適コロナグラフを実験的に実装した。
我々は、1000:1の恒星-惑星のコントラスト比の下で、主星からのサブ回折距離$(sigma)$での人工外惑星のローカライズに成功した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.9099663022952499
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: An ideal direct imaging coronagraph, which selectively rejects the fundamental mode of a telescope, has been shown to achieve the quantum information limits for exoplanet detection and localization. In this study, we experimentally implement this quantum-optimal coronagraph using spatial mode (de)multiplexing. Our benchtop system includes a forward and inverse pass through a free-space programmable spatial mode sorter, designed to isolate photons in a point spread function (PSF)-adapted basis. During the forward pass, the fundamental mode is rejected, effectively eliminating light from an on-axis point-like star. On the inverse pass, the remaining modes are coherently recombined, enabling direct imaging of a faint companion. We develop a probabilistic measurement model that accounts for combined effects of fundamental shot noise and experimental noise specific to our benchtop setup, such as modal cross-talk, dark noise, and ambient background illumination. We leverage this measurement model to formulate a maximum-likelihood estimator of the exoplanet position given an image captured with the coronagraph. Using this approach, we successfully localize an artificial exoplanet at sub-diffraction distances $(<\sigma)$ from its host star under a 1000:1 star-planet contrast ratio. Our system accurately localizes the exoplanet up to an absolute error $<0.03\sigma$ over the separation range $[0,\,0.6]\sigma$. Finally, we numerically evaluate the precision of our experimental coronagraph against state-of-the-art coronagraphs subject to comparable noise models.
- Abstract（参考訳）: 望遠鏡の基本モードを選択的に拒否する理想的な直接撮像コロナグラフは、外惑星の検出と局在のための量子情報限界を達成するために示されている。
本研究では,空間モード(de)多重化を用いた量子最適コロナグラフを実験的に実装した。
我々のベンチトップシステムは、ポイントスプレッド機能(PSF)適応ベースで光子を分離するように設計された、自由空間プログラム可能な空間モードソータを前方および逆パスで通過する。
前方通過の間、基本モードは拒否され、オン軸の点状星からの光を効果的に除去する。
逆パスでは、残りのモードはコヒーレントに再結合され、かすかな伴奏を直接撮像することができる。
我々は,基本ショットノイズとベンチトップ設定に特有の実験ノイズ,例えばモーダルクロストーク,ダークノイズ,環境背景照明の複合効果を考慮に入れた確率的測定モデルを開発した。
我々はこの測定モデルを用いて、コロナグラフで撮影した画像から、外惑星位置の最大形推定器を定式化する。
このアプローチを用いて、1000:1の恒星-惑星のコントラスト比の下で、主星からサブ回折距離$(<\sigma)$の人工外惑星をローカライズすることに成功した。
我々のシステムは、分離範囲$[0,\,0.6]\sigma$に対して絶対誤差$<0.03\sigma$まで正確に外惑星をローカライズする。
最後に, 実験コロナグラフの精度を, 比較ノイズモデルに基づく最先端コロナグラフに対して数値的に評価した。
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