Mohli bychom detekovat mimozemské civilizace prostřednictvím jejich mezihvězdné kvantové komunikace
Od poloviny 20. století vědci hledali důkazy o inteligentním životě mimo naši sluneční soustavu. Po většinu té doby se vědci, kteří se zabývají hledáním mimozemské inteligence (SETI), spoléhali na radioastronomické průzkumy, aby hledali známky technologické aktivity (také znám jako „. technopodpisy “). S Potvrzeno 4 375 exoplanet (a přibývá!) očekává se, že v blízké budoucnosti dojde k ještě většímu úsilí.
V očekávání těchto snah výzkumníci zvažovali další možné technologické podpisy, které bychom měli mít na pozoru. Podle Michael Hippke , hostující vědec na Výzkumné centrum SETI UC Berkeley , vyhledávání by se mělo rozšířit také o kvantovou komunikaci. V době, kdy se kvantové výpočty a související technologie blíží ke svému uskutečnění, má smysl hledat jejich známky jinde.
Hledání technopodpisů a toho, co představuje ty nejslibnější, je v posledních letech předmětem obnoveného zájmu. To je z velké části způsobeno tím, že jsou k dispozici tisíce exoplanet pro následné studie pomocí teleskopů nové generace, které budou v provozu v příštích letech. S těmito nástroji hledajícími jehly v „kosmické kupce sena“ musí mít astrobiologové jasno v tom, co mají hledat.
v září 2018 , NASA hostila a Workshop technopodpisů , po kterém následovalo vydání jejich Zpráva o technologickém podpisu . Do srpna 2020 NASA a Institut modrého mramoru sponzoroval další setkání – Technoclimes 2020 – diskutovat o konceptech budoucího vyhledávání, které by hledalo technopodpisy nad rámec obvyklých rádiových signálů. Jako člověk, který zasvětil svůj profesní život SETI, může Hippke nabídnout mnoho poznatků.
Dosavadní hledání
Jak poznamenal ve své studii, moderní úsilí SETI začalo v roce 1959, kdy byl známým průkopníkem SETI Giuseppe Cocconi & fyzik Philip Morrison (oba z Cornell University v té době) publikovali svůj hlavní článek, „ Hledání mezihvězdné komunikace .“ V tomto článku Coccini a Morrison doporučili hledat známky inteligentního života hledáním úzkopásmových signálů v rádiovém spektru.
O dva roky později následoval R.N. Schwartz a C.H. Města Ústav obranných analýz (IDA) ve Washingtonu D.C. Ve svých novinách „ Mezihvězdná a meziplanetární komunikace pomocí optických maserů Navrhli, že optické pulsy z mikrovlnných laserů by mohly být známkou mimozemské inteligence (ETI), která vysílá zprávy do vesmíru.
Ale jak poznamenává Hippke, o šest desetiletí a více než sto specializovaných vyhledávacích programů později průzkumy, které hledaly tyto konkrétní technologické podpisy, nepřinesly nic konkrétního. To neznamená, že vědci dosud hledali špatné signatury, ale že by mohlo být užitečné zvážit rozhození širší sítě. Jako Hippke vysvětlil v jeho novinách:
'Hledáme (a měli bychom dál hledat) úzkopásmové výbuchy majáků, i když jsme zatím žádné nenašli. Zároveň je možné rozšířit naše hledání... Na chodbách astronomických oddělení se někdy argumentuje, že se ‚musíme naladit na správné pásmo‘ a – voilà – budeme připojeni ke galaktickému komunikačnímu kanálu.“
Fotografie centrální oblasti Mléčné dráhy Uznání: UCLA SETI Group/Yuri Beletsky, Carnegie Las Campanas Observatory
Kvantová revoluce
Zatímco prakticky všechny pokusy o vytvoření kvantových procesorů jsou relativně nedávné (probíhají od přelomu století), samotný koncept pochází z počátku 70. let 20. století. V té době Stephen Weisner, profesor fyziky na Kolumbijské univerzitě v té době, navrhl, že informace by mohly být bezpečně kódovány využitím principu superpozice.
Tento princip uvádí, že „spin“ elektronu, základní vlastnost, která může být orientována „nahoru“ nebo „dolů“, je neurčitá – což znamená, že může být buď jedna, nebo obě současně. Takže zatímco rotace nahoru nebo dolů je podobná nulám a jedničkám binárního kódu, princip superpozice znamená, že kvantové počítače mohou provádět exponenciálně větší počet výpočtů v daném okamžiku.
Kromě schopnosti vykonávat více funkcí Hippke identifikuje čtyři možné důvody, proč by se ETI rozhodl pro kvantovou komunikaci. Patří mezi ně „hlídání brány“, kvantová nadřazenost, informační bezpečnost a informační efektivita. 'Jsou upřednostňovány před klasickou komunikací s ohledem na bezpečnost a informační efektivitu a při všech předchozích vyhledáváních by unikli odhalení,' píše.
Používání počítačů se za poslední století značně vyvinulo, od izolovaných strojů po celosvětovou síť a v budoucnu možná až k meziplanetární síti. Při pohledu do budoucnosti Hippke tvrdí, že není přitažené za vlasy věřit, že se lidstvo může spoléhat na mezihvězdnou kvantovou síť, která umožňuje distribuované kvantové výpočty a přenos qubitů na dlouhé vzdálenosti.
Vizualizované kvantové zapletení. Kredit: Discovery News
Na základě předpokladu, že lidstvo není odlehlá, ale reprezentativní norma (aka. Koperníkův princip), je logické předpokládat, že pokročilá ETI by takovou síť již vytvořila. Na základě výzkumu lidstva v oblasti kvantové komunikace, Hippke čtyři možné metody. První je „kódování polarizace“, které se při reprezentaci dat opírá o horizontální a vertikální polarizaci světla.
Druhá metoda zahrnuje „Fockův stav“ fotonů, kde je signál kódován střídáním mezi diskrétním počtem částic a vakuem (podobně jako binární kód). Dvě zbývající možnosti zahrnují kódování v časovém zásobníku – kde se používá časné a pozdní příchody – nebo koherentní stavové kódování světla, kde je světlo amplitudově nebo fázově stlačeno za účelem simulace binárního kódu.
Bezpečnost a nadřazenost
Z mnoha výhod, které by kvantová komunikace představovala pro technologicky vyspělý druh, je Gate-Keeping obzvláště zajímavý kvůli důsledkům, které by mohl mít pro SETI. Koneckonců, rozdíl mezi tím, co předpokládáme, je statistická pravděpodobnost inteligentního života v našem vesmíru a nedostatek důkazů pro něj (aka. Fermiho paradox) volá po vysvětlení. Jak říká Hippke:
'ETI se může záměrně rozhodnout, že komunikace bude pro méně pokročilé civilizace neviditelná.' Možná většina nebo celá vyspělá civilizace cítí potřebu udržet „opice“ mimo galaktický kanál a nechat členy účastnit se pouze nad určitým technologickým minimem. Zvládnutí kvantové komunikace může odrážet tento limit.“
Myšlenku kvantové komunikace poprvé zdůvodnil Mieczyslaw Subotowicz, profesor astrofyziky na Univerzitě Marie Curie-Sklodowské v Lublinu (Polsko), v roce 1979. V článku nazvaném „ Mezihvězdná komunikace pomocí svazků neutrin Subotowicz tvrdil, že potíže, které tato metoda představuje, by byly prodejním argumentem pro dostatečně vyspělou mimozemskou civilizaci (ETC).
Volbou komunikačního prostředku, který má tak malý průřez, by ETC bylo schopné komunikovat pouze s podobně vyspělými druhy. Hippke však poznamenal, že to také prakticky znemožňuje detekovat propletené páry neutrin. Z tohoto důvodu by provázané fotony nejen zajišťovaly udržování brány, ale byly by také detekovatelné těmi, kdo je mají přijímat.
Podobně je výhodná kvantová komunikace také kvůli bezpečnosti, kterou umožňuje, což je jeden z hlavních důvodů, proč se technologie vyvíjí zde na Zemi. Quantum key distribution (QKD) umožňuje dvěma stranám vytvořit sdílený klíč, který lze použít k šifrování a dešifrování tajných zpráv. Teoreticky to povede k nové éře, kde jsou šifrovaná komunikace a databáze imunní vůči konvenčním kybernetickým útokům.
Kromě toho má QKD jedinečnou výhodu v tom, že umožňuje dvěma stranám detekovat potenciální třetí stranu, která se pokouší zachytit jejich zprávy. Na základě kvantové mechaniky jakýkoli pokus změřit kvantový systém zhroutí vlnovou funkci jakýchkoli provázaných částic. To způsobí detekovatelné anomálie v systému, které by okamžitě vyslaly varovné signály. Řekl Hippke:
„Nevíme, zda hodnoty ETI zajišťují mezihvězdnou komunikaci, ale rozhodně je to prospěšný nástroj pro expanzivní civilizace, které se skládají z akcí, jako je dnešní lidstvo. Proto je pravděpodobné, že budoucí lidé (nebo ETI) mají touhu zavést bezpečnou mezihvězdnou síť.“
Další velkou výhodou kvantových počítačů je jejich schopnost řešit problémy exponenciálně rychleji než jejich digitální protějšky – to, co je známé jako „kvantová převaha“. Klasickým příkladem je Shorův algoritmus , kvantový algoritmus s polynomiálním časem pro faktorování celých čísel, jehož vyřešení by konvenčnímu počítači trvalo roky, ale kvantový počítač by mohl prasknout během pouhých sekund.
Vizualizované kvantové zapletení. Kredit: Katedra fyziky, HKUST
V tradičních počítačích je šifrování veřejným klíčem (jako např Šifrování RSA-2048 ) využívá matematické funkce, které jsou velmi obtížné a časově náročné na výpočet. Vzhledem k tomu, že mohou pojmout exponenciálně větší počet funkcí, odhaduje se, že kvantový počítač by mohl prolomit stejné šifrování asi za deset sekund.
V neposlední řadě je tu větší efektivita fotonové informace (PIE), kterou kvantová komunikace nabízí oproti klasickým kanálům – měřeno v bitech na foton. Podle Hippkeho kvantová komunikace zlepší hodnocení účinnosti bitů na foton až o jednu třetinu. V tomto ohledu touha po účinnějších přenosech dat učiní z přijetí kvantové sítě něco jako nevyhnutelnost.
„Otočeno naopak, klasické kanály jsou energeticky nehospodárné, protože nevyužívají všechny možnosti kódování informací na foton,“ píše. „Kvantová výhoda objednávky 1/3 se nezdá být moc, ale proč ji plýtvat? Je logické předpokládat, že ETI upřednostňuje přenos více informací než méně, na jednotku energie.“
Výzvy
Samozřejmě, žádná prezentace související se SETI by nebyla kompletní bez zmínky o možných výzvách. Pro začátek je tu otázka dekoherence, kde se energie (a tím i informace) ztrácí v prostředí pozadí. Pokud jde o přenosy mezihvězdným prostorem, hlavními problémy jsou vzdálenost, volné elektrony (sluneční vítr), meziplanetární prach a mezihvězdné médium – oblaka prachu a plynu s nízkou hustotou.
„Jako základní čára je největší vzdálenost, na kterou byly na Zemi provedeny úspěšné experimenty s optickým zapletením, 144 km,“ poznamenává Hippke. Protože hustota zemské atmosféry je 1,2 kg m-3, to znamená, že signál procházející kolonou o délce 144 km (~90 mil) měl hustotu kolony 1,728×105kg m-2. Naproti tomu hustota sloupců mezi Zemí a nejbližší hvězdou (Proxima Centauri) je o osm řádů nižší (3×10-8kg m-2).
Dalším problémem je zpoždění způsobené relativistickým vesmírem, což znamená, že zprávy i do nejbližších hvězdných systémů by trvaly roky. V důsledku toho je kvantový výpočet něco, co bude z velké části prováděno lokálně a mezi komunikačními uzly budou přenášeny pouze zhuštěné qubity. S ohledem na to existuje několik náznaků, které by lidstvo mohlo v nadcházejících letech vyhlížet.
Co hledat?
V závislosti na metodě použité k přenosu kvantových informací by vedly určité podpisy, které by výzkumníci SETI mohli identifikovat. V současné době nejsou zařízení SETI, která provádějí pozorování ve spektru viditelného světla, vybavena pro příjem kvantové komunikace (protože tato technologie zatím neexistuje). Jsou však vybaveny k detekci fotonů, získávání spekter a provádění polarizačních experimentů.
Jako takové, tvrdí Hippke, by byli schopni odhalit potenciální signály z hluku pozadí vesmíru. To je podobné čemu profesor Lubin navrhl v dokumentu z roku 2016 („ Hledání řízené inteligence “), kde tvrdil, že optické signály (lasery) používané pro pohon nebo komunikaci s řízenou energií by vedly k občasnému „přelévání“, které by bylo zjistitelné.
V podstatě stejným způsobem by „chybné“ fotony mohly být shromažďovány observatořemi a měřeny na známky kódování pomocí různých technik (včetně těch, které byly identifikovány ve studii). Jednou z možných metod, kterou Hippke doporučuje, je dlouhodobá interferometrie, kdy více přístrojů monitoruje amplitudu a fázi elektromagnetických polí v prostoru v průběhu času a porovnává je se základní linií, aby bylo možné rozpoznat přítomnost kódování.
Jedna věc však stojí za zvážení: Pokud nasloucháním kvantové komunikaci ETI nezpůsobí ztrátu informací? A pokud ano, neuvědomil by si dotyčný ETI, že nasloucháme? Za předpokladu, že o nás dříve nevěděli, určitě by věděli, až to všechno dopadne! Někdo by mohl dojít k závěru, že by bylo lepší neposlouchat rozhovory pokročilejších druhů!
Ale to je otázka na jiný den a další plodné téma k debatě (viz Beyond Fermi's Paradox: The „Dark Forest“ Hypothesis ).
Další čtení: arXiv
