Kvantová fotonika slibuje snímání oceánu a nočních lesů tam, kde klasické senzory selhávají

Vědci pracují na nových metodách optického snímání Země, které by měly umožnit pozorování prostředí s extrémně omezeným množstvím dostupného světla. Jde především o oblasti, kam běžné fotony pronikají jen ve velmi malé míře nebo vůbec – hluboký oceán a husté tropické lesy v noci. Standardní optické senzory, používané v družicovém i leteckém snímání, potřebují ke správné funkci relativně stálý a dostatečně silný přísun světla. Tam, kde tato podmínka není splněna, klasické přístupy selhávají nebo poskytují jen velmi omezená data.

Řešením by podle výzkumníků mohla být kvantová fotonika, obor zabývající se využitím kvantových vlastností jednotlivých fotonů. Kvantová fotonika dokáže překonat klasické limity optického snímání, což otevírá možnost pracovat i s extrémně nízkým počtem fotonů, které se v tmavých a hůře přístupných prostředích běžně vyskytují. Zatímco klasické senzory potřebují k vytvoření použitelného obrazu určité minimální množství světla, kvantové přístupy dokážou extrahovat informaci i z jednotlivých fotonů nebo z jejich velmi slabých toků.

Cílem nových technik je podle výzkumníků odemknout zcela nové způsoby pozorování těch částí planety, které zůstávají klasickým optickým metodám v podstatě skryté. Hluboký oceán a noční tropické lesy patří mezi prostředí, kde je množství dostupných fotonů natolik nízké, že současné senzory nedokážou poskytnout spolehlivá data. Přitom právě tyto oblasti jsou z hlediska sledování klimatu, biodiverzity nebo změn ekosystémů velmi významné.

Princip kvantového přístupu spočívá v tom, že se pracuje přímo s jednotlivými fotony a jejich kvantovými vlastnostmi, nikoli jen s celkovým množstvím dopadajícího světla, jak je tomu u klasických senzorů. To umožňuje zachytit a vyhodnotit i signál, který by v klasickém systému zanikl v šumu nebo by byl příliš slabý na to, aby vytvořil rozpoznatelný obraz. Výzkumníci tak chtějí posunout hranice toho, co je vůbec možné pomocí optického snímání zjistit v podmínkách, kde je světla extrémně málo.

Využití takových technologií by mohlo mít praktický dopad na pozorování Země z družic i z jiných platforem. V současnosti existuje řada oblastí, které jsou z hlediska dálkového průzkumu Země prakticky nedostupné právě kvůli nedostatku světla – ať už jde o mořské hlubiny, kam sluneční záření proniká jen do omezené hloubky, nebo o husté lesní porosty, které jsou navíc obtížně pozorovatelné v noci, kdy chybí přirozené osvětlení téměř úplně.

Pokud by se podařilo tyto kvantové techniky optického snímání dále rozvinout a prakticky nasadit, otevřelo by to cestu k monitorování prostředí, která jsou dnes pro klasické metody pozorování Země prakticky nepřístupná. To by mohlo přinést nové poznatky například o procesech probíhajících v hlubokých vrstvách oceánu nebo o nočním životě v tropických lesích, tedy v oblastech, které hrají důležitou roli v globálních ekologických a klimatických procesech, ale zůstávají kvůli technickým omezením klasického snímání jen málo prozkoumané.

Výzkum v oblasti kvantové fotoniky pro pozorování Země tak představuje jeden z příkladů, jak mohou pokroky v kvantových technologiích najít uplatnění i mimo tradiční oblasti, jako je kvantová komunikace nebo výpočetní technika. Aplikace v dálkovém průzkumu Země ukazuje, že principy kvantové fyziky mohou pomoci řešit i praktické problémy spojené s omezenými fyzikálními podmínkami, jako je nedostatek světla v konkrétních prostředích planety.

Podle výzkumníků jde o směr, který by mohl v budoucnu doplnit stávající metody dálkového průzkumu Země o nový nástroj schopný pracovat i tam, kde klasická optika naráží na své fyzikální limity. Konkrétní podoba budoucích senzorů, jejich technická realizace ani harmonogram případného nasazení zatím nejsou známy, výzkum se nachází ve fázi navrhování a testování principů, na nichž by takové systémy mohly být postaveny.