З середини 20 століття вчені шукали докази існування розумного життя за межами нашої Сонячної системи. Більшу частину цього часу вчені, які займаються пошуком позаземного розуму (SETI), покладалися на дослідження радіоастрономії для пошуку ознак технологічної активності (він же «. технопідписи “). З Підтверджено 4375 екзопланет (і ще більше!) Очікується, що найближчим часом будуть докладені ще більші зусилля.
Очікуючи цих зусиль, дослідники розглядали інші можливі технопідписи, на які нам слід шукати. Згідно з Майкл Гіпке , запрошений науковець в Дослідницький центр SETI UC Berkeley , пошук також слід розширити, включивши в нього квантову комунікацію. В епоху, коли квантові обчислення та пов’язані з ними технології наближаються до реалізації, має сенс шукати їх ознаки деінде.
Пошук технопідписів, і те, що є найбільш перспективними, в останні роки знову викликають інтерес. Багато в чому це пов’язано з тим, що тисячі екзопланет доступні для подальших досліджень за допомогою телескопів наступного покоління, які будуть працювати в найближчі роки. Завдяки цим інструментам, які шукають голки в «космічному стозі сіна», астробіологам потрібно чітко знати, на що шукати.
в вересень 2018 року , NASA розмістило a Майстерня Технопідписів , за яким послідував випуск їх Звіт про техносигнатуру . До серпня 2020 року НАСА та Інститут блакитного мармуру спонсорував ще одну зустріч – Technoclimes 2020 – обговорити концепції майбутніх пошуків, які б шукали техносигнатури за межами звичайних радіосигналів. Як людина, яка присвятила своє професійне життя SETI, Хіпке може запропонувати багато ідей.
Пошук досі
Як він зазначив у своєму дослідженні, сучасні зусилля SETI почалися в 1959 році, коли відомий піонер SETI Джузеппе Кокконі & фізик Філіп Моррісон (обидва в той час Корнельського університету) опублікували свою основоположну статтю « Пошук міжзоряних комунікацій ». У цій статті Кокчіні і Моррісон рекомендували шукати ознаки розумного життя, шукаючи вузькосмугові сигнали в радіочастотному спектрі.
За цим через два роки послідував Р.Н. Шварц і Ч.Х. Міста с Інститут оборонних аналізів (IDA) у Вашингтоні, округ Колумбія. У своїй статті « Міжзоряний і міжпланетний зв'язок за допомогою оптичних Мазерів », вони припустили, що оптичні імпульси від мікрохвильових лазерів можуть бути ознакою того, що позаземний інтелект (ETI) надсилає повідомлення у космос.
Але, як зазначає Хіппке, через шість десятиліть і більше сотні спеціалізованих пошукових програм опитування, які шукали саме ці технічні підписи, не дали нічого конкретного. Це не означає, що досі вчені шукали неправильні підписи, але, можливо, було б корисно розглянути можливість закидання ширшої мережі. Як Гіпке пояснив у своїй статті:
«Ми шукаємо (і повинні продовжувати шукати) вузькосмугові вибухи маяка, хоча ми їх поки не знайшли. У той же час можна розширити наш пошук... У коридорах кафедр астрономії іноді сперечаються, що нам «просто потрібно налаштуватися на правильний діапазон» і – вуаля – будемо підключені до каналу галактичного зв’язку».
Фото центрального району Чумацького Шляху. Авторство: UCLA SETI Group/Юрій Белецький, обсерваторія Карнегі Лас-Кампанас
Квантова революція
Хоча практично всі спроби створити квантові процесори є відносно недавніми (здійснюються з початку століття), сама концепція бере свій початок з початку 1970-х років. Саме в цей час Стівен Вайснер, професор фізики Колумбійського університету в той час, запропонував, що інформацію можна безпечно закодувати, використовуючи переваги принципу суперпозиції.
Цей принцип стверджує, що «спін» електрона, фундаментальна властивість, яка може бути орієнтована «вгору» або «вниз», є невизначеною, що означає, що він може бути одним або обома одночасно. Отже, хоча обертання вгору або вниз подібне до нулів і одиниць двійкового коду, принцип суперпозиції означає, що квантові комп’ютери можуть виконувати експоненціально більшу кількість обчислень у будь-який момент часу.
Крім здатності виконувати більше функцій, Хіпке визначає чотири можливі причини, чому ETI обирає квантовий зв’язок. Сюди входять «утримання воріт», квантова перевага, інформаційна безпека та інформаційна ефективність. «Їм віддають перевагу перед класичними комунікаціями щодо безпеки та інформаційної ефективності, і вони б не були виявлені під час усіх попередніх пошуків», — пише він».
Використання комп’ютерів значно розвинулося за минуле століття, від ізольованих машин до всесвітньої мережі, і, можливо, до міжпланетної мережі в майбутньому. Дивлячись у майбутнє, Хіппке стверджує, що вірити в те, що людство може покладатися на міжзоряну квантову мережу, яка забезпечує розподілені квантові обчислення та передачу кубітів на великі відстані, недаремно.
Візуалізується квантова заплутаність. Авторство: Discovery News
Виходячи з припущення, що людство не є винятком, а представником норми (він же принцип Коперника), логічно припустити, що просунутий ETI вже створив би таку мережу. На основі досліджень людства квантових комунікацій, Гіпке чотири можливі методи. Перший — це «поляризаційне кодування», яке покладається на горизонтальну та вертикальну поляризацію світла для представлення даних.
Другий метод включає в себе «стан Фока» фотонів, коли сигнал кодується шляхом чергування дискретної кількості частинок і вакууму (подібно до двійкового коду). Два варіанти, що залишилися, передбачають або кодування з часовою ланкою – де використовується раннє та пізнє прибуття – або когерентний стан світлового кодування, коли світло стискається за амплітудою або фазою для імітації двійкового коду.
Безпека і перевага
З багатьох переваг, які квантові комунікації нададуть технологічно розвиненому виду, захист від воріт є особливо цікавим через наслідки, які він може мати для SETI. Зрештою, невідповідність між тим, що ми припускаємо, є статистичною ймовірністю розумного життя у нашому Всесвіті та відсутністю доказів цього (він же парадокс Фермі) вимагає пояснень. Як каже Гіпке:
«ETI може свідомо вирішити зробити комунікації невидимими для менш розвинутих цивілізацій. Можливо, більшість або вся розвинена цивілізація відчувають потребу утримати «мавп» подалі від галактичного каналу і дозволити членам брати участь лише вище певного технологічного мінімуму. Опанування квантової комунікації може відображати цю межу».
Ідею квантової комунікації вперше обґрунтував Мечислав Суботович, професор астрофізики Університету Марії Кюрі-Склодовської в Любліні (Польща), у 1979 році. У статті під назвою « Міжзоряний зв'язок за допомогою пучків нейтрино », Суботович стверджував, що труднощі, які представляє цей метод, стануть точкою продажу для достатньо розвиненої позаземної цивілізації (ETC).
Вибравши засіб зв’язку з таким малим поперечним перерізом, ETC зможе спілкуватися лише з такими ж розвиненими видами. Однак, зауважив Хіппке, це також робить практично неможливим виявлення заплутаних пар нейтрино. З цієї причини заплутані фотони не тільки забезпечували б утримання воріт, але й були б виявлені тими, хто призначений для їх прийому.
Аналогічно, квантовий зв’язок також є кращим через безпеку, яку вона забезпечує, що є однією з головних причин розвитку технології тут, на Землі. Квантовий розподіл ключів (QKD) дозволяє двом сторонам створити спільний ключ, який можна використовувати для шифрування та розшифровки секретних повідомлень. Теоретично це призведе до нової ери, коли зашифровані комунікації та бази даних будуть захищені від звичайних кібератак.
Крім того, QKD має унікальну перевагу, що дозволяє двом сторонам виявити потенційну третю сторону, яка намагається перехопити їхні повідомлення. Виходячи з квантової механіки, будь-яка спроба виміряти квантову систему призведе до колапсу хвильової функції будь-яких заплутаних частинок. Це призведе до виявлених аномалій у системі, які негайно викличуть червоні прапорці. Гіпке сказав:
«Ми не знаємо, чи ETI цінує безпечний міжзоряний зв’язок, але це, безумовно, корисний інструмент для експансивних цивілізацій, які складаються з дій, як сучасне людство. Тому цілком імовірно, що майбутні люди (або ETI) мають бажання реалізувати безпечну міжзоряну мережу».
Ще однією важливою перевагою квантових обчислень є його здатність вирішувати проблеми експоненціально швидше, ніж його цифрові аналоги, що відоме як «квантове перевага». Класичний приклад Алгоритм Шора , квантовий алгоритм поліноміального часу для розкладання цілих чисел на множники, на вирішення якого звичайному комп’ютеру знадобляться роки, але квантовий комп’ютер може зламатися за лічені секунди.
Візуалізується квантова заплутаність. Авторство: фізичний факультет ХКУСТ
У традиційних обчисленнях шифрування з відкритим ключем (наприклад, Шифрування RSA-2048 ) використовує математичні функції, обчислення яких дуже складно та вимагає багато часу. Враховуючи, що вони можуть вмістити експоненціально більшу кількість функцій, за оцінками, квантовий комп’ютер може зламати те саме шифрування приблизно за десять секунд.
І останнє, але не менш важливе, є більша ефективність фотонної інформації (PIE), яку пропонує квантовий зв’язок у порівнянні з класичними каналами – вимірюється в бітах на фотон. За словами Хіппке, квантові комунікації покращать рейтинг ефективності біт на фотон до однієї третини. У зв’язку з цим прагнення до більш ефективної передачі даних зробить прийняття квантової мережі чимось неминучим.
«Навпаки, класичні канали енергетично марнотратні, оскільки вони не використовують усі параметри кодування інформації на фотон», — пише він. «Квантова перевага порядку 1/3 не здається великою, але навіщо її витрачати? Логічно припустити, що ETI вважає за краще передавати більше інформації, а не менше, на одиницю енергії».
Проблеми
Звичайно, жодна презентація, пов’язана з SETI, не була б повною без згадки про можливі проблеми. Для початку існує проблема декогерентності, коли енергія (і, отже, інформація) втрачається у фоновому середовищі. Що стосується передачі через міжзоряний простір, то головними проблемами є відстань, вільні електрони (сонячний вітер), міжпланетний пил і міжзоряне середовище – хмари пилу та газу низької щільності.
«В якості базової лінії найбільша відстань, на якій були проведені успішні експерименти з оптичним заплутанням на Землі, становить 144 км», — зазначає Хіппке. Оскільки щільність маси атмосфери Землі становить 1,2 кг м-3, це означає, що сигнал, що проходить через колону довжиною 144 км (~90 миль), мав справу з щільністю стовпа 1,728×105кг м-2. Навпаки, щільність стовпа між Землею та найближчою зіркою (Проксима Центавра) на вісім порядків нижча (3×10-8кг м-2).
Інша проблема — це затримка, викликана релятивістським Всесвітом, а це означає, що повідомлення навіть до найближчих зоряних систем займатимуть роки. В результаті квантові обчислення здебільшого будуть виконуватися локально, і між вузлами зв’язку будуть передаватися лише згущені кубіти. З огляду на це, є кілька ознак, на які людство може шукати в найближчі роки.
Що шукати?
Залежно від методу, який використовується для передачі квантової інформації, дослідники SETI зможуть визначити певні сигнатури. Наразі засоби SETI, які проводять спостереження у видимому спектрі світла, не обладнані для прийому квантового зв’язку (оскільки технології ще не існує). Однак вони обладнані для виявлення фотонів, отримання спектрів і проведення експериментів з поляризацією.
Таким чином, стверджує Хіппке, вони могли б виділити потенційні сигнали з фонового шуму космосу. Це схоже на що Професор Любін запропоновано в статті 2016 року (“ Пошук спрямованого інтелекту “), де він стверджував, що оптичні сигнали (лазери), які використовуються для руху спрямованої енергії або зв’язку, призведуть до випадкових «переливів», які можна було б виявити.
Точно так само «блукаючі» фотони можуть бути зібрані обсерваторіями та виміряні на ознаки кодування за допомогою різних методів (включаючи ті, що були виявлені під час дослідження). Одним із можливих методів, які рекомендує Хіппке, є довготривала інтерферометрія, коли кілька приладів відстежують амплітуду та фазу електромагнітних полів у просторі в часі та порівнюють їх із базовою лінією, щоб розпізнати наявність кодування.
Але варто звернути увагу на одну річ: якщо слухати квантові комунікації ETI, чи не призведе це до втрати інформації? І якщо так, то чи не зрозумів би ETI, що ми слухаємо? Якщо припустити, що вони не знали про нас раніше, вони впевнені, що після того, як все це зникне! Можна зробити висновок, що було б краще не підслуховувати розмови більш розвинених видів!
Але це питання іншого дня і ще одна благодатна тема для дебатів (див Поза парадоксом Фермі: гіпотеза «темного лісу». ).
Подальше читання: arXiv