О межзвездной квантовой коммуникации и парадоксе Ферми

До сих пор поиск внеземного разума (SETI) использовал стратегии, основанные на классической науке: прослушивание радиоволн, наблюдение за оптическими сигналами, телескопы на орбите искали свет из атмосфер экзопланет, сканировали лазерный свет, который мог исходить от инопланетян. Но может ли квантовомеханический подход быть лучше?

Лэтэм Бойл говорит, что может быть. «Интересно, что наша галактика (и море космического фонового излучения, в которое она встроена) «позволяет» межзвездную квантовую связь в определенных частотных диапазонах», — говорит он.

Исследователь из Центра теоретической физики Хиггса в Эдинбургском университете в Шотландии, Лэтэм Бойл изучил эту возможность и говорит: «Но в то время как наши нынешние телескопы достаточно велики, чтобы обеспечить межзвездную «классическую» связь, межзвездная «квантовая» коммуникация требует огромных телескопов — гораздо больших, чем все, что мы построили до сих пор».

Кроме того, его анализ приводит к еще одному потенциальному решению парадокса Ферми.

Что касается межзвездной связи, пишет Лэтэм Бойл, «естественно спросить, возможно ли также отправлять или получать межзвездные квантовые коммуникации».

Идея состоит в том, чтобы использовать запутанные пары кубитов, одна из которых хранится у отправителя, а другая направляется на Землю. Несколько лет назад было обнаружено, что две квантовые частицы могут сохранять квантовую когерентность на межзвездных и даже галактических расстояниях, даже будучи запутанными друг с другом, и каким-то образом связаны между собой таким образом, что определение свойства одного запутанного кубита немедленно определяет свойство другого.

Эта странная связь уже была продемонстрирована между фотонами, находящимися на расстоянии более тысячи километров друг от друга, причем один из них находится на поверхности Земли, а другой — в космическом аппарате, вращающемся вокруг планеты.

Кубит — это единица квантовой информации. Квантовая механика допускает, с помощью квантовой суперпозиции, что частица, подобная фотону, может находиться в двух состояниях одновременно, например, вращаться вверх и вниз. Тогда как в классической коммуникации фотон находится только в одном состоянии, бите, то есть либо вращается вверх, либо вниз, но не вверх и вниз одновременно. Такая способность кубитов делает их более мощными для многих приложений.

Лэтэм Бойл сосредоточился на физических требованиях и ограничениях для отправки и обнаружения такого кубитного сигнала, начиная с «квантовой емкости» передачи — максимальной скорости, с которой канал квантовой связи может передавать квантовую информацию.

О каналах квантовой связи уже многое известно из исследований и экспериментов квантовой телепортации, квантовой криптографии, квантовой запутанности и других квантовых явлений. Протоколы, основанные на квантовой связи, экспоненциально быстрее, чем протоколы, основанные на классической коммуникации — каналы, передающие по одному биту за раз от передатчика к приемнику — для некоторых задач.

Используя известные ограничения на квантовую емкость для так называемых квантовых стирающих каналов и свойства межзвездной среды, ученый смог получить два важных результата: квантовая емкость больше нуля требует, чтобы обмениваемые фотоны лежали в определенных допустимых частотных диапазонах, и что эффективный диаметр как передающего, так и приемного телескопов должен быть больше значения, пропорционального квадратному корню из длины волны фотона, умноженному на расстояние между телескопами.

Согласно анализу, квантовая емкость, которая не исчезает, требует, чтобы обмениваемые фотоны имели длину волны менее 26,5 см, в основном для того, чтобы избежать осложнений с космическим микроволновым фоном.

Более того, в то время как классическая связь может иметь место, если приемник получает лишь крошечный процент передаваемых фотонов (как в случае с радиосигналами), квантовая связь требует, чтобы большая часть отправленных фотонов была обнаружена в телескопе приемника.

Для наземного телескопа этот диаметр был бы огромным. Длина волны фотона должна быть не менее 320 нм, чтобы пройти через атмосферу Земли, а учитывая, что расстояние до нашей ближайшей звезды, Проксимы Центавра, составляет 4,25 световых года, ученый считает, что наземный телескоп должен быть не менее 100 километров в диаметре.

Излишне говорить, что это огромная разница с самым большим наземным телескопом, который сейчас строится, Европейским сверхбольшим телескопом, строящимся в Чили, который будет иметь диаметр 0,04 км (40 метров).

«На самом деле, — говорит Лэтэм Бойл, — необходимые телескопы настолько велики, что если у внеземного отправителя есть достаточно большой передающий телескоп, он обязательно также может увидеть, что мы еще не построили достаточно большой приемный телескоп, поэтому они будут знать, что пока нет смысла общаться с нами».

И возможно именно поэтому, отмечает он, мы ничего о них не слышали. «Другими словами, предположение о том, что инопланетяне общаются квантово-механически, кажется достаточным для объяснения парадокса Ферми».

Над атмосферой можно использовать более короткие волны, для чего потребуется меньший телескоп, возможно, на Луне или в точке Лагранжа L2 на Земле, но даже гамма-лучи с длиной волны порядка 0,001 нм все равно потребуют телескопа диаметром около 200 метров.

Телескоп не обязательно должен быть одной тарелкой — это может быть множество маленьких тарелок, расположенных близко друг к другу (на Земле или в космосе), но они должны быть близко друг к другу, «как клетки в сотах», — сказал Лэтэм Бойл.

Ряд ретрансляторов или квантовых ретрансляторов также может быть размещен на линии между отправителем и целью, но для диаметров менее 100 метров телескопы-репитеры должны быть размещены через каждую десятую астрономической единицы, в том числе внутри Солнечной системы. Поддержание их согласованности может быть проблемой.

Неясным моментом является то, как приемник узнает, что прибывающий сигнал является квантово-механическим, а не классическим, «т.е. частью запутанной пары», если общение начинается без предварительной договоренности.