З середини XX століття вчені зайняті пошуками свідчень наявності розумного життя за межами Сонячної системи. Більшу частину цього часу учасники пошуків позаземного розуму (SETI) покладалися на радіоастрономічні спостереження, намагаючись знайти технологічну активність (ознаки якої називаються техномаркерами). У найближчому майбутньому ці спроби ставатимуть тільки інтенсивнішими, оскільки на сьогодні підтверджено вже наявність 4375 екзопланет.
У рамках підготовки до пошуку дослідники розглядали інші можливі техномаркери, які варто пошукати. Згідно з Майклом Хіппке з дослідницького центру SETI в Каліфорнійському університеті в Берклі, ці пошуки необхідно розширити, включивши в них квантові комунікації. Оскільки в наш час квантові комп'ютери і пов'язані з ними технології вже майже дозріли, має сенс включити їх до переліку техномаркерів.
В останні роки пошук техносигнатур і обговорення того, які саме ознаки будуть найбільш багатообіцяючими техномаркерами, знову набирають інтерес. Не в останню чергу це пов'язано з тим, що в найближчі роки з'являться телескопи наступного покоління, за допомогою яких можна буде вивчати тисячі нещодавно відкритих екзопланет. І коли такі інструменти будуть готові для пошуку голок у космічному копиці сіна, астробіологам треба буде вже точно знати, що шукати.
У вересні 2018 року НАСА провела робочий семінар з техномаркерів, після якого вийшов звіт за техномаркерами. До серпня 2020 року НАСА та Інститут блакитної кульки стали спонсором ще однієї зустрічі, Technoclimes 2020, на якій обговорювали концепції пошуків техномаркерів, що виходять за межі стандартних радіосигналів. Хіппке було що додати, оскільки він присвятив свою кар'єру проекту SETI.
Стан пошуків на сьогодні
Сучасні роботи з SETI почалися 1959 року, коли знаменитий піонер цього проекту Джузеппе Кокестоні і фізик Філіп Моррісон з Корнелського університету опублікували знакову роботу «Пошук міжзоряних комунікацій». У ній вони рекомендували шукати ознаки розумного життя у вузькому діапазоні радіоспектру.
Два роки потому роботу на цю тему «Міжзіркові та міжпланетні комунікації за допомогою оптичних мазерів» опублікували Шварц і Таунс з Інституту оборонного аналізу у Вашингтоні. Вони припустили, що оптичні імпульси мікрохвильових лазерів можуть служити ознакою комунікацій позаземного розуму.
Як зазначає у своїй новій роботі Хіппке, минуло вже шість десятиліть і сотня пошукових програм. Пошуки цих конкретних техномаркерів не увінчалися нічим визначеним. І не те, щоб вчені шукали неправильні техномаркери - просто може бути корисним розширити область пошуків. Хіппке пише, що "ми шукаємо сплески маяків у вузькому радіодієстоні, хоча поки що їх не знайшли. Але можна розширити наші пошуки. Деякі астрономи вважають, що потрібно просто "налаштуватися на потрібну хвилю" і ми підключимося до хвилі галактичного зв'язку ".
Квантова революція
Хоча практично всі спроби створення квантових процесорів почалися недавно, з початку поточного століття, сама концепція існує з початку 1970-х. Тоді Стівен Вайзнер, професор фізики з Колумбійського університету, припустив, що інформацію можна таємно кодувати за допомогою принципу суперпозиції.
Принцип говорить про те, що спин електрона - його фундаментальна квантова властивість, яка буває спрямованим вниз або вгору - може перебувати в обох станах одночасно. І якщо вгору і вниз можна вважати нолем і одиничкою двоїчного коду, то суперпозиція дозволяє квантовим комп'ютерам виконувати експоненційно більшу кількість обчислень за заданий час.
Хіппке говорить про чотири можливі причини, через які позаземний розум міг би вдатися до квантових комунікацій. Це контроль доступу, квантова перевага, інформаційна безпека та інформаційна ефективність. За його словами, такі комунікації краще класичних з точки зору безпеки та інформаційної ефективності, і всі попередні пошуки їх би не знайшли.
За останні сто років використання комп'ютерів зросло від окремих випадків до всесвітньої мережі, а в майбутньому, можливо, з'явиться і міжпланетна мережа. Можливо, людство покладатиметься на міжзіркові квантові мережі, що дозволяють проводити розподілені обчислення і передавати кубіти на великі відстані.
Якщо припустити, що людство є не відхиленням а прикладом норми (згідно з принципом Коперника), логічно припустити, що просунута цивілізація вже могла створити подібну мережу. Хіппке пропонує чотири можливі методи кодування даних у такій мережі.
Перший - поляризаційне кодування, що покладається на вертикальну і горизонтальну поляризацію світла. Другий - фоківський стан фотонів, коли сигнал кодується як перемикання між дискретним числом частинок і вакуумом. Крім цього, можливе кодування за часом, коли частинки приходять з випередженням або запізненням, і кодування когерентним станом світла - коли світло стискається по амплітуді або фазі.
Секретність і перевага
Однією з головних переваг квантових комунікацій буде контроль доступу - він особливо цікавий тим, як вплине на роботу проекту SETI. Адже невідповідність статистичної ймовірності існування розумного життя в нашому Всесвіті і відсутності свідчень її наявності (парадокс Фермі) вимагає пояснень.
Хіппке вважає, що інопланетяни спеціально можуть вибрати комунікації, невидимі для недостатньо просунутих цивілізацій. Більшість передових цивілізацій захочуть не пускати «мавп» в загальний канал спілкування, і дозволяти брати участь у спілкуванні лише членам спільноти, які досягли необхідного мінімуму в розвитку. Таким мінімумом можуть стати квантові комунікації.
Вперше про квантові комунікації заговорив Міцеслав Саботович, польський професор астрофізики, у 1979 році. У своїй роботі «Міжзіркові комунікації на променях нейтрино» Саботович стверджував, що складність використання цього методу стане аргументів на користь його вибору для досить просунутої позаземної цивілізації.
Хіппке зазначив, що такий спосіб дозволяє спілкуватися лише з аналогічно просунутою цивілізацією, але при цьому робить виявлення цих комунікацій, зав'язаних на заплутаних парах нейтрино, практично неможливим. Тому контроль доступу краще буде здійснювати за допомогою заплутаних фотонів, які до того ж простіше буде виявити їх одержувачу.
Також квантові комунікації краще через свою підвищену безпеку - це одна з причин їх розробки на землі. Метод квантового розподілу ключів (КРК) дозволяє двом сторонам отримати загальний ключ, придатний для шифрування і розшифровки секретних повідомлень. При цьому він дає можливість сторонам виявити наявність потенційної третьої сторони, яка намагається перехопити їх повідомлення. Будь-яка спроба виміряти квантову систему призведе до схлопування хвильової функції, і це породить в системі аномалії, які можна буде виявити.
Ще одна з переваг квантових комп'ютерів - вирішувати завдання експоненціально швидше класичних комп'ютерів, т. зв. «квантова перевага». Класичний приклад - алгоритм Шора, квантовий алгоритм розкладання числа на прості множники, на прорахунок якого у класичного комп'ютера підуть роки, а у квантового - кілька секунд.
У звичайних комп'ютерах шифрування з публічним ключем (таке, як RSA-2048), використовує математичні функції, на прорахунок яких йде дуже багато машинного часу. Теоретично квантові комп'ютери можуть зламати подібне шифрування за кілька секунд.
Останнім за порядком, але не за значимістю, буде висока інформаційна ефективність фотонів у квантових комп'ютерів - тобто, кількість битів на фотон. Хіппке вважає, що квантові комунікації поліпшать цю ефективність приблизно на третину. У цьому сенсі пошук більш ефективних способів передачі даних неминуче призведе до квантових мереж.
Проблеми
Звичайно, ніякі аргументи, пов'язані з пошуком інопланетного розуму, не будуть сповнені без згадки можливих проблем. По-перше, існує проблема декогеренції - енергія та інформація втрачаються в оточенні. При міжзіркових комунікаціях основними проблемами будуть відстані, вільні електрони, міжпланетний пил і середовище - хмари з пилу і газу малої щільності.
На Землі максимальна відстань, на якій проводилися успішні експерименти з оптичної заплутаності, становить 144 км. Масова щільність атмосфери Землі становить 1,2 кг/м3, тому сигналу, що проходив по дорозі довжиною 144 км, довелося мати справу з поверхневою щільністю в 1,728 − 105 кг/м2. Така щільність між Землею і найближчою до нас зіркою (Проксимою Центавра) складе величину на кілька порядків менше: 3 ст.1 10-8 кг/м2.
Ще одна проблема - затримка, неминуча в релятивістському Всесвіті. Навіть повідомлення, що передаються до найближчих зоряних систем, будуть йти туди роками. Квантові обчислення будуть проводитися здебільшого на місці, а між вузлами зв'язку будуть передаватися тільки стислі кубіти. Тому людству в найближчі роки можна буде зосередитися на декількох ключових ознаках таких комунікацій.
Що шукати?
Поки що обладнання SETI, що проводить спостереження у видимій частині спектра, не підходить для отримання квантових повідомлень - такої технології ще немає. Однак воно може отримувати фотони, вважати їх спектр і проводити експерименти з поляризацією.
Хіппке вважає, що таким чином можна буде вичленувати сигнали з фонового шуму космосу. Подібну ідею висловив професор Любін у своїй роботі 2016 року «Пошук спрямованого розуму», де говорив, що при використанні оптичних сигналів лазерів для передачі енергії або даних неминуче буде виникати «надлишок» фотонів, який можна виявити.
Ці фотони можна вловлювати в обсерваторіях і вивчати на предмет ознак кодування за допомогою різних технологій. Один з таких методів, запропонованих Хіппке - довгострокова інтерферометрія, при якій безліч інструментів відстежують амплітуду і фазу електромагнітних полів і порівнюють їх з базовим рівнем, щоб виявити ознаки наявності кодування.
Можливо, якщо ми почнемо підслуховувати квантові комунікації позаземного розуму, частина інформації буде загублена, і цей розум дізнається про нашу присутність, якщо він не знав про нас раніше. Тоді деякі, ймовірно, скажуть, що краще не перехоплювати повідомлення більш розвинених істот.