量子信息理论可将系外行星成像提升至理论极限

专题图片： [使用日冕仪直接观测系外行星的艺术想象图；图片来源：NASA/JPL-Caltech]

一项新研究将量子信息理论的工具应用于日冕仪设计，展示了空间模式分类如何能够将系外行星探测推向理论量子极限，即使面对最具挑战性的观测场景。

该论文由Yinzi Xin领导，于2026年7月2日提交至Astronomy & Astrophysics，针对传统日冕仪的一个基本局限：它们难以在与主星近距离角分离处达到系外行星的理论探测极限。当望远镜拥有分段或受阻的光瞳，或者恒星作为有限盘面而非点光源被部分解析时，这一问题变得更加严重。

量子方法。 研究团队运用量子信息理论的密度矩阵形式，计算了探测系外行星的最佳测量方式。密度矩阵编码了到达望远镜的光场的完整量子态，包括星光泄漏和行星信号。由此可以推导出用于消零星光的最佳空间模式。

一个关键发现是，最大化经典信噪比的空间模式在两个关键参数：星光泄漏和行星与恒星流量比：的主导阶上近似量子最优。这意味着现有的模式分类日冕仪设计已接近基本性能极限，但仍可使用新框架进一步优化。

三个实际应用。 作者针对三个具有科学兴趣的具体案例提出了优化的日冕仪设计：

第一个是光纤零差结构的扩展，针对使用高分辨率光谱学在任意视场上探测和光谱表征行星进行了优化。光纤零差器通过将星光注入滤除轴向恒星模式的光纤来抑制星光，但最佳配置取决于行星的位置和恒星的角大小。

第二个应用支持宜居世界天文台（HWO），这是NASA拟议中的旗舰任务，用于直接成像类地行星。量子最优模式使HWO能够在更具挑战性的红外波段跟进其可见光探测，在这些波段，热背景和更小的行星与恒星对比度使探测显著更加困难。

第三个针对极大望远镜上的行星相机和光谱仪（ELT-PCS），这是一种地面仪器，设计用于在非常接近的工作角度探测和定位行星。在这些接近衍射极限的小分离距离下，传统日冕仪表现不佳，而量子最优消零模式提供了最大的改进。

更广泛的影响。 该工作提供了一个计算最优日冕仪配置的通用框架，考虑了现实的望远镜缺陷、有限的恒星大小以及使用单一仪器探测多颗行星的需求。作者描述了当日冕仪针对多个行星位置时存在的固有权衡，表明针对单一位置进行优化会降低其他位置的性能。

这种统一方法可能影响下一代系外行星仪器的设计，涵盖空间和地面天文台。通过将量子探测极限确立为基准，该框架为仪器设计者提供了一个清晰的目标，而不是依赖于渐进的经验改进。

该论文目前正在Astronomy & Astrophysics审稿中，并可在arXiv上以编号2607.02065获取。

婷翻译