Мы могли бы обнаружить инопланетные цивилизации по их межзвёздной квантовой связи

Учёные ищут признаки разумной жизни за пределами Солнечной системы с середины XX века. В рамках проекта SETI (поиск внеземного разума) долгое время полагались на радиоастрономические обзоры для поиска "техносигнатур" — признаков технологической деятельности. Учитывая, что подтверждено уже 4375 экзопланет, в ближайшем будущем ожидается активизация поисков.

В преддверии этого исследователи рассматривают другие возможные техносигнатуры. Майкл Хиппке, приглашённый учёный из Исследовательского центра SETI в Калифорнийском университете в Беркли, предлагает расширить поиск, включив в него квантовую связь. В эпоху, когда квантовые вычисления и смежные технологии приближаются к реализации, логично искать их признаки и в космосе.

Интерес к техносигнатурам возродился в последние годы, отчасти благодаря тысячам экзопланет, доступных для изучения новыми телескопами. Чтобы искать "иголку в космическом стоге сена", астробиологам нужно чётко понимать, что именно искать.

Поиск до сих пор

Современные усилия SETI начались в 1959 году со статьи Джузеппе Коккони и Филипа Моррисона "Поиск межзвёздных коммуникаций", где предлагалось искать узкополосные сигналы в радиоспектре. Позже, в 1961 году, Р.Н. Шварц и Ч.Х. Таунс предложили искать оптические импульсы от микроволновых лазеров.

Однако, как отмечает Хиппке, более шести десятилетий и сотни поисковых программ не дали конкретных результатов. Это не значит, что учёные искали не то, но указывает на полезность расширения поиска.

Квантовая революция

Хотя практические попытки создать квантовые процессоры относятся к началу XXI века, сама концепция появилась в 1970-х. Она основана на принципе суперпозиции: спин электрона (свойство, которое может быть ориентировано "вверх" или "вниз") не определён и может находиться в обоих состояниях одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять экспоненциально больше вычислений.

Хиппке выделяет четыре возможные причины, по которым внеземной разум (ETI) мог бы выбрать квантовую связь:

  1. "Контроль доступа" (Gate-keeping) — ограничение коммуникации для недостаточно развитых цивилизаций.
  2. Квантовое превосходство — экспоненциально более высокая скорость решения задач.
  3. Информационная безопасность.
  4. Информационная эффективность.

Опираясь на коперниканский принцип (предположение, что человечество не является исключением), логично предположить, что продвинутая ETI уже создала межзвёздную квантовую сеть для распределённых вычислений и передачи кубитов.

Исходя из земных исследований, Хиппке описывает четыре возможных метода квантовой передачи:

  1. Поляризационное кодирование (использование горизонтальной и вертикальной поляризации света).
  2. Кодирование с помощью состояния Фока (чередование дискретного числа частиц и вакуума).
  3. Временное бинарное кодирование (использование раннего и позднего прибытия).
  4. Кодирование сжатым состоянием света (амплитудное или фазовое сжатие).

Безопасность и превосходство

Идея "контроля доступа" особенно интересна в контексте парадокса Ферми (противоречие между высокой вероятностью существования разумной жизни и отсутствием её признаков). ETI может намеренно делать связь невидимой для менее развитых цивилизаций. Как пишет Хиппке: "Возможно, большинство или все продвинутые цивилизации чувствуют необходимость не пускать "обезьян" в галактический канал".

Квантовая безопасность — ключевая причина разработки технологии на Земле. Распределение квантовых ключей (QKD) позволяет двум сторонам создать общий ключ для шифрования. Любая попытка перехвата изменит состояние запутанных частиц, что будет сразу обнаружено.

Квантовое превосходство — способность решать задачи намного быстрее классических компьютеров. Например, алгоритм Шора для факторизации целых чисел может взломать шифрование RSA-2048 за ~10 секунд, в то время как классическому компьютеру потребуются годы.

Эффективность передачи информации на фотон (PIE) у квантовой связи также выше — до одной трети. "Классические каналы энергетически расточительны, потому что не используют все варианты кодирования информации на фотон", — отмечает Хиппке.

Проблемы

Основная проблема для межзвёздной квантовой связи — декогеренция (потеря энергии и информации в окружающей среде). Наибольшее расстояние, на котором успешно проводились эксперименты с оптической запутанностью на Земле, — 144 км.

Однако, как отмечает Хиппке, столбовая плотность между Землёй и ближайшей звездой (Проксима Центавра) на восемь порядков ниже (3×10-8 кг м-2), чем в земной атмосфере на пути в 144 км (1.728×105 кг м-2). Это оставляет надежду на возможность такой связи.

Другая проблема — релятивистские задержки, из-за которых сообщения к ближайшим звёздам будут идти годами. Поэтому квантовые вычисления будут выполняться в основном локально, а между узлами связи будут передаваться только сжатые кубиты.

Что и как искать?

В зависимости от метода передачи квантовой информации, могут возникать определённые сигнатуры, которые смогут идентифицировать исследователи SETI. Современные оптические обсерватории SETI не оборудованы для приёма квантовой связи, но могут обнаруживать фотоны, получать спектры и проводить эксперименты по поляризации.

Таким образом, они смогут вычленить потенциальные сигналы из фонового шума космоса. Хиппке предлагает метод длительной интерферометрии: несколько инструментов долгое время отслеживают амплитуду и фазу электромагнитных полей в космосе и сравнивают их с базовым уровнем, чтобы обнаружить кодирование.

Остаётся один философский вопрос: если мы начнём "подслушивать" квантовую связь ETI, не приведёт ли это к потере информации (коллапсу волновой функции) и, следовательно, не обнаружит ли продвинутая цивилизация наше присутствие? Возможно, лучше не подслушивать разговоры более развитых видов.

2021-04-29