他の恒星の周りで地球のような惑星を見つけることは、現代天文学における最も困難な課題の一つである。その惑星は空の上で恒星からわずか1000万分の1度しか離れておらず、明るさは1億分の1から100億分の1しかない。標準的な望遠鏡では両者を分離できない。回折により両者は一つの光の塊にぼやけてしまい、従来の検出器ではどの光子が惑星から来たのか、どの光子が恒星から来たのかを区別できない。
7月初旬にarXivに公開されたプレプリントで述べられた新しい理論的枠組みは、両方の障害を回避する方法を提案している。韓国の漢陽大学のHyunsoo Choi氏は、成均館大学、パデュー大学、漢陽大学の共同研究者らとともに、単に到着した光子の数を数えるのではなく、光子を量子力学的な波の形状によって分類する適応的測定システムを開発した。コンピュータシミュレーションでは、この手法は恒星と2つの非常に暗い伴星を含む完全な視野を70%以上の成功率で再構成し、著者らによれば既存の量子イメージング技術が扱える範囲を5桁上回る明るさのコントラストで動作した。
太陽系外惑星の直接撮像は、二つの物理的事実によって制限される。第一はレイリー基準である。二つの光源が空の上で望遠鏡の分解能限界の約半分よりも接近している場合、それらの像は一つにぼやけてしまう。近傍の恒星を公転する居住可能な可能性のある惑星のほとんど全ては、この限界の内側に位置する。第二はコントラストである。地球型惑星を伴う太陽類似星を指向した望遠鏡は、惑星からの1光子あたり約100億個の光子を恒星から受ける。
現在のコロナグラフ（恒星の光を物理的に遮断する装置）は、宇宙空間では恒星の光を約100億分の1に抑制できるが、地球型惑星が存在すると予想される小さな角度間隔では困難に直面する。光の波動性を利用して追加情報を抽出する量子イメージング手法は、これまで約1000対1のコントラストに限られており、地球型太陽系外惑星には全く不十分であった。
arXiv:2607.06931に記載された手法は、これとは異なる動作をする。各ピクセルに到着する光子の数を測定するだけではなく、このシステムはまず入射光子をその空間モード（波面の形状）によって分類する。光子は明るさだけよりも多くの情報を運んでおり、その波のパターンは空のどこから来たかを符号化している。課題は、特に一方の光源が他方より数桁も明るい場合に、その情報を効率的に抽出することである。
このアルゴリズムは、惑星が存在する可能性のある場所についての過剰完全な推定セットから開始し、それを反復的に洗練する。各ステップで、入射光を注意深く選択された空間モードの集合に投影し、光子数を記録し、全ての光源の位置と明るさの推定値を更新する。測定基底は、検出された光子あたりの量子フィッシャー情報量（任意の測定が未知パラメータの集合について抽出できる最大情報量を記述する量）を最大化するように、各反復で再計算される。
明るさ比が8桁に及ぶことを扱うため、アルゴリズムは対数明るさ空間で動作する。その後、最大尤度推定によって各候補位置の最適適合が決定される。反復的洗練が収束した後、この手法は統計的モデル選択ツールであるベイズ情報量規準を用いて、実際に存在する光源の数を決定する。このプロセスには手動で調整する検出閾値は不要であり、モデル選択は光子計数統計のみから導出される。
明るさ比が1、1万、1億である恒星と2つの惑星をサブレイリー間隔内で模擬した1万2000回のモンテカルロ試行において、アルゴリズムは72.5%の確率で3つの天体全てを正しく識別した。正しい光源数を識別した場合、位置推定誤差の中央値は約0.1ピクセルであり、単一の分解能要素をはるかに下回った。恒星より1億倍暗い最も暗い惑星については、成功した試行の99.7%で、真の値の2倍以内の明るさ推定値が得られた。
この手法は、ある種類の実験的不完全性に対して耐性を示した。著者らが望遠鏡を最大6ピクセルシフトさせることで位置ずれを模擬したところ、成功率は71.3%にわずかに低下したのみであった。論文では、他の種類の実環境ノイズ（大気の乱流、検出器の読み出しノイズ、温度変動）に対する頑健性はまだ試験されておらず、未知のままであると述べられている。
これらの結果と実用的な装置を隔てるいくつかの重要な注意点がある。システム全体はコンピュータシミュレーションとしてのみ存在する。著者らはそのようなシステムを構築するための道筋を示している。既存のコロナグラフと互換性のある空間モード選別器は現在のフォトニクス技術で実現可能であるが、量子最適測定システムの物理的実装は通常、理論的進歩から数年から数十年遅れる。論文はまた、単純な3光源の視野を試験している。実際の観測では、散乱光、複数の背景光源、そしてシミュレーションではモデル化されていない機器のアーティファクトが関与する。
これらの限界にもかかわらず、この枠組みは天文学者がこの問題を考える上での概念的な進歩を示している。地球型惑星を直接撮像するには、望遠鏡をその基本的な物理的限界に押し込める間隔で、隣接する光より約100億倍暗い信号を検出する必要がある。このプレプリントは、太陽系外惑星検出の量子情報限界がまだ十分に探求されていないことを示し、それに接近する測定戦略の具体的な設計を提供している。
もし実際の望遠鏡で構築・試験されれば、このようなシステムは現在の機器では到達できない惑星への窓を開く可能性がある。大気中のバイオシグネチャ探索の最も有望なターゲットである近傍のM型矮星の周りの地球類似体は、約1000万分の1から1億分の1のコントラストを生み出す。提案された手法はその領域で動作する。理論とハードウェアの間には依然として大きな隔たりがあるが、論文はそれを越える道筋を示している。
雅子 訳
Sources
- Hyunsoo Choi, Hyoung Won Baac, Zubin Jacob, Haejun Chung. Exoplanet Detection Using Adaptive Quantum-Optimal Measurement. arXiv:2607.06931 (July 2026). https://arxiv.org/abs/2607.06931
- Quantum Physics Could Help Us Find Earth 2.0. Universe Today, July 2026. https://www.universetoday.com/articles/quantum-physics-could-help-us-find-earth-20
- Could quantum physics help us find Earth 2.0? Phys.org, July 2026. https://phys.org/news/2026-07-quantum-physics-earth.html