С середины XX века учёные заняты поисками свидетельств наличия разумной жизни за пределами Солнечной системы. Большую часть этого времени участники поисков внеземного разума (SETI) полагались на радиоастрономические наблюдения, пытаясь найти технологическую активность (признаки которой называются техномаркерами). В ближайшем будущем эти попытки будут становиться только интенсивнее, поскольку на сегодня подтверждено уже наличие 4375 экзопланет.
В рамках подготовки к поиску исследователи рассматривали другие возможные техномаркеры, которые стоит поискать. Согласно Майклу Хиппке из исследовательского центра SETI в Калифорнийском университете в Беркли, эти поиски необходимо расширить, включив в них квантовые коммуникации. Поскольку в наше время квантовые компьютеры и связанные с ними технологии уже почти созрели, имеет смысл включить их в перечень техномаркеров.
В последние годы поиск техносигнатур и обсуждение того, какие именно признаки будут наиболее многообещающими техномаркерами, вновь набирают интерес. Не в последнюю очередь это связано с тем, что в ближайшие годы появятся телескопы следующего поколения, с помощью которых можно будет изучать тысячи недавно открытых экзопланет. И когда такие инструменты будут готовы для поиска иголок в космическом стоге сена, астробиологам надо будет уже точно знать, что искать.
В сентябре 2018 года НАСА провела рабочий семинар по техномаркерам, после которого вышел отчёт по техномаркерам. К августу 2020 года НАСА и Институт голубого шарика стали спонсором ещё одной встречи, Technoclimes 2020, на которой обсуждали концепции поисков техномаркеров, выходящие за пределы стандартных радиосигналов. Хиппке было что добавить, поскольку он посвятил свою карьеру проекту SETI.
Состояние поисков на сегодня
Современные работы по SETI начались в 1959 году, когда знаменитый пионер этого проекта Джузеппе Коччони и физик Филип Моррисон из Корнеллского университета опубликовали знаковую работу «Поиск межзвёздных коммуникаций». В ней они рекомендовали искать признаки разумной жизни в узком диапазоне радиоспектра.
Два года спустя работу на эту тему «Межзвёздные и межпланетные коммуникации при помощи оптических мазеров» опубликовали Шварц и Таунс из Института оборонного анализа в Вашингтоне. Они предположили что оптические импульсы микроволновых лазеров могут служить признаком коммуникаций внеземного разума.
Как отмечает в своей новой работе Хиппке, прошло уже шесть десятилетий и сотня поисковых программ. Поиски этих конкретных техномаркеров не увенчались ничем определённым. И не то, чтобы учёные искали неправильные техномаркеры – просто может быть полезным расширить область поисков. Хиппке пишет, что «мы ищем всплески маяков в узком радиодиапазоне, хотя пока их не нашли. Но можно расширить наши поиски. Некоторые астрономы считают, что нужно просто ''настроиться на нужную волну'' и мы подключимся к волне галактической связи».
Квантовая революция
Хотя практически все попытки создания квантовых процессоров начались недавно, с начала текущего века, сама концепция существует с начала 1970-х. Тогда Стивен Вайзнер, профессор физики из Колумбийского университета, предположил, что информацию можно тайно кодировать при помощи принципа суперпозиции.
Принцип говорит о том, что спин электрона – его фундаментальное квантовое свойство, которое бывает направленным вниз или вверх – может находиться в обоих состояниях одновременно. И если вверх и вниз можно считать нолём и единичкой двоичного кода, то суперпозиция позволяет квантовым компьютерам выполнять экспоненциально большее число вычислений за заданное время.
Хиппке говорит о четырёх возможных причинах, по которым внеземной разум мог бы прибегнуть к квантовым коммуникациям. Это контроль доступа, квантовое превосходство, информационная безопасность и информационная эффективность. По его словам, такие коммуникации предпочтительнее классических с точки зрения безопасности и информационной эффективности, и все предыдущие поиски их бы не нашли.
За последние сто лет использование компьютеров выросло от отдельных случаев до всемирной сети, а в будущем, возможно, появится и межпланетная сеть. Возможно, человечество будет полагаться на межзвёздные квантовые сети, позволяющие проводить распределённые вычисления и передавать кубиты на большие расстояния.
Если предположить, что человечество является не отклонением а примером нормы (согласно принципу Коперника), логично предположить, что продвинутая цивилизация уже могла создать подобную сеть. Хиппке предлагает четыре возможных метода кодирования данных в такой сети.
Первый – поляризационное кодирование, полагающееся на вертикальную и горизонтальную поляризацию света. Второй – фоковское состояние фотонов, когда сигнал кодируется как переключение между дискретным числом частиц и вакуумом. Кроме этого, возможно кодирование по времени, когда частицы приходят с опережением или опозданием, и кодирование когерентным состоянием света – когда свет сжимается по амплитуде или фазе.
Секретность и превосходство
Одним из главных преимуществ квантовых коммуникаций будет контроль доступа – он особенно интересен тем, как повлияет на работу проекта SETI. Ведь несоответствие статистической вероятности существования разумной жизни в нашей Вселенной и отсутствия свидетельств её наличия (парадокс Ферми) требует объяснений.
Хиппке считает, что инопланетяне специально могут выбрать коммуникации, невидимые для недостаточно продвинутых цивилизаций. Большинство передовых цивилизаций захотят не пускать «обезьян» в общий канал общения, и позволять участвовать в общении лишь членам сообщества, достигшим необходимого минимума в развитии. Таким минимумом могут стать квантовые коммуникации.
Впервые о квантовых коммуникациях заговорил Мицеслав Саботович, польский профессор астрофизики, в 1979 году. В своей работе «Межзвёздные коммуникации на лучах нейтрино» Саботович утверждал, что сложность использования этого метода станет аргументов в пользу его выбора для достаточно продвинутой внеземной цивилизации.
Хиппке отметил, что такой способ позволяет общаться лишь с аналогично продвинутой цивилизацией, но при этом делает обнаружение этих коммуникаций, завязанных на запутанных парах нейтрино, практически невозможным. Поэтому контроль доступа лучше будет осуществлять при помощи запутанных фотонов, которые к тому же проще будет обнаружить их получателю.
Также квантовые коммуникации предпочтительнее из-за своей повышенной безопасности – это одна из причин их разработки на земле. Метод квантового распределения ключей (КРК) позволяет двум сторонам получить общий ключ, пригодный для шифрования и расшифровки секретных сообщений. При этом он даёт возможность сторонам обнаружить наличие потенциальной третьей стороны, пытающейся перехватить их сообщение. Любая попытка измерить квантовую систему приведёт к схлопыванию волновой функции, и это породит в системе аномалии, которые можно будет обнаружить.
Ещё одно из преимуществ квантовых компьютеров – решать задачи экспоненциально быстрее классических компьютеров, т.н. «квантовое превосходство». Классический пример – алгоритм Шора, квантовый алгоритм разложения числа на простые множители, на просчёт которого у классического компьютера уйдут годы, а у квантового – несколько секунд.
В обычных компьютерах шифрование с публичным ключом (такое, как RSA-2048), использует математические функции, на просчёт которых уходит очень много машинного времени. Теоретически квантовые компьютеры могут взломать подобное шифрование за несколько секунд.
Последним по порядку, но не по значимости, будет высокая информационная эффективность фотонов у квантовых компьютеров – то есть, количество битов на фотон. Хиппке считает, что квантовые коммуникации улучшат эту эффективность примерно на треть. В этом смысле поиск более эффективных способов передачи данных неизбежно приведёт к квантовым сетям.
Проблемы
Конечно, никакие аргументы, связанные с поиском инопланетного разума, не будут полны без упоминания возможных проблем. Во-первых, существует проблема декогеренции – энергия и информация теряются в окружении. При межзвёздных коммуникациях основными проблемами будут расстояния, свободные электроны, межпланетная пыль и среда – облака из пыли и газа малой плотности.
На Земле максимальное расстояние, на котором проводились успешные эксперименты по оптической запутанности, составляет 144 км. Массовая плотность атмосферы Земли составляет 1,2 кг/м3, поэтому сигналу, проходившему по пути длиной 144 км, пришлось иметь дело с поверхностной плотностью в 1,728 × 105 кг/м2. Таковая плотность между Землёй и ближайшей к нам звездой (Проксимой Центавра) составит величину на несколько порядков меньше: 3×10-8 кг/м2.
Ещё одна проблема – задержка, неизбежная в релятивистской Вселенной. Даже сообщения, передаваемые к ближайшим звёздным системам, будут идти туда годами. Квантовые вычисления будут проводиться по большей части на месте, а между узлами связи будут передаваться только сжатые кубиты. Поэтому человечеству в ближайшие годы можно будет сосредоточиться на нескольких ключевых признаках таких коммуникаций.
Что искать?
Пока что оборудование SETI, проводящее наблюдение в видимой части спектра, не подходит для получения квантовых сообщений – такой технологии ещё нет. Однако оно может получать фотоны, считать их спектр и проводить эксперименты с поляризацией.
Хиппке считает, что таким образом можно будет вычленить сигналы из фонового шума космоса. Сходную идею высказал профессор Любин в своей работе 2016 года «Поиск направленного разума», где говорил, что при использовании оптических сигналов лазеров для передачи энергии или данных неизбежно будет возникать «излишек» фотонов, который можно обнаружить.
Эти фотоны можно улавливать в обсерваториях и изучать на предмет признаков кодирования при помощи различных технологий. Один из таких методов, предложенных Хиппке – долгосрочная интерферометрия, при которой множество инструментов отслеживают амплитуду и фазу электромагнитных полей и сравнивают их с базовым уровнем, чтобы обнаружить признаки наличия кодирования.
Возможно, если мы начнём подслушивать квантовые коммуникации внеземного разума, часть информации будет утеряна, и этот разум узнает о нашем присутствии, если он не знал о нас раньше. Тогда некоторые, вероятно, скажут, что лучше не перехватывать сообщение более развитых существ.
