Могут ли межзвездные квантовые коммуникации затронуть Землю или решить парадокс Ферми?

Поиск внеземного разума (SETI) до сих пор использовал стратегии, основанные на классической науке: радиосигналы, оптические сигналы, анализ света от экзопланет, лазерное излучение. Может ли квантово-механический подход быть эффективнее?

Исследователь Лэтэм Бойл из Центра теоретической физики им. Хиггса (Эдинбургский университет) считает, что, возможно, да. Он отмечает, что наша галактика и космическое фоновое излучение действительно допускают межзвездную квантовую связь в определенных частотных диапазонах.

Однако, как показал его анализ, опубликованный на сервере препринтов arXiv, для такой связи требуются огромные телескопы — значительно больше любых существующих.

Принцип и требования

Идея заключается в использовании запутанных пар кубитов: один остается у отправителя, другой отправляется к Земле. Кубит, в отличие от классического бита, благодаря квантовой суперпозиции может находиться в двух состояниях одновременно (например, спин вверх и вниз), что делает его более мощным для коммуникации.

Бойл сфокусировался на физических ограничениях передачи и детектирования такого сигнала, введя понятие «квантовой емкости» канала — максимальной скорости передачи квантовой информации.

Ключевые выводы анализа:

1. Частотный диапазон: Для ненулевой квантовой емкости длина волны обмениваемых фотонов должна быть менее 26.5 см, чтобы избежать помех от реликтового излучения.
2. Размер телескопов: Эффективный диаметр как передающего, так и принимающего телескопов должен превышать значение, пропорциональное квадратному корню из произведения длины волны фотона на расстояние между телескопами.
3. Эффективность приема: В отличие от классической связи, где достаточно принять крошечную долю фотонов, для квантовой связи необходимо детектировать большинство отправленных фотонов.

Практические последствия

Для наземного телескопа, принимающего сигнал от ближайшей звезды Проксима Центавра (4.25 световых года) на длине волны не менее 320 нм (чтобы пройти через атмосферу), расчетный минимальный диаметр составляет около 100 километров. Это несоизмеримо с крупнейшим строящимся телескопом ELT (диаметр 40 метров).

В космосе можно использовать более короткие волны, что уменьшит требуемый размер. Но даже для гамма-лучей (длина волны ~0.001 нм) диаметр телескопа составил бы около 200 метров.

Телескоп может быть составным (ансамблем близко расположенных небольших антенн), но они должны быть упакованы плотно, «как соты». Также теоретически возможна цепочка квантовых повторителей, но для небольших телескопов их пришлось бы размещать каждую десятую часть астрономической единицы, что создает проблему с поддержанием их взаимного положения.

Связь с парадоксом Ферми

Бойл делает важное замечание: требуемые телескопы настолько велики, что если у внеземной цивилизации есть достаточно большой передающий телескоп, она сможет увидеть, что у нас еще нет соответствующего принимающего телескопа. Следовательно, им «еще не имеет смысла» с нами связываться.

«Другими словами, предположение, что внеземные цивилизации общаются квантово-механически, кажется достаточным, чтобы объяснить парадокс Ферми», — отмечает исследователь.

Открытый вопрос

Остается нерешенной проблема: как принимающая сторона поймет, что полученный сигнал является квантовым (частью запутанной пары), а не классическим, если до этого не было никакой предварительной коммуникации. По словам Бойла, ответ на этот вопрос — тема для отдельной полноценной научной работы.