Vi kunne opdage fremmede civilisationer gennem deres interstellare kvantekommunikation

Siden midten af ​​det 20. århundrede, videnskabsmænd har ledt efter beviser på intelligent liv uden for vores solsystem. I meget af den tid, videnskabsmænd, der er engageret i søgningen efter udenjordisk intelligens (SETI) har satset på radioastronomiundersøgelser for at søge efter tegn på teknologisk aktivitet (også kaldet "teknosignaturer"). med 4, 375 exoplaneter bekræftet (og tæller!) endnu større indsats forventes at ske i den nærmeste fremtid.

I forventning om disse bestræbelser, forskere har overvejet andre mulige teknosignaturer, som vi bør være på udkig efter. Ifølge Michael Hippke, en gæsteforsker ved UC Berkeley SETI Research Center, søgningen bør også udvides til at omfatte kvantekommunikation. I en tid, hvor kvantecomputere og relaterede teknologier nærmer sig udmøntning, det giver mening at lede efter tegn på dem andre steder.

Søgningen efter teknosignaturer, og hvad der er de mest lovende, har været genstand for fornyet interesse i de senere år. Dette skyldes i høj grad, at tusindvis af exoplaneter er tilgængelige for opfølgende undersøgelser ved hjælp af næste generations teleskoper, der vil være operationelle i de kommende år. Med disse instrumenter søger efter nåle i den "kosmiske høstak, "Astrobiologer skal have en klar over, hvad de skal kigge efter.

I september 2018, NASA var vært for en Technosignatures Workshop, som blev efterfulgt af udgivelsen af ​​deres Technosignature-rapport. I august 2020, NASA og Blue Marble Institute sponsorerede endnu et møde – Technoclimes 2020 – for at diskutere koncepter til fremtidige søgninger, der ville lede efter teknosignaturer ud over de sædvanlige radiosignaler. Som en, der har dedikeret sit professionelle liv til SETI, Hippke har mange indsigter at tilbyde.

Søgningen indtil videre

Som han bemærkede i sit studie, moderne SETI-indsats begyndte i 1959, da den berømte SETI-pioner Giuseppe Cocconi og fysikeren Philip Morrison (begge fra Cornell University på det tidspunkt) udgav deres skelsættende papir, "Søger efter interstellar kommunikation." I denne avis, Coccini og Morrison anbefalede at søge efter tegn på intelligent liv ved at lede efter smalbåndssignaler i radiospektret.

Dette blev efterfulgt to år senere af R.N. Schwartz og C.H. Townes fra Institute of Defense Analyse (IDA) i Washington D.C. I deres papir, "Interstellar og interplanetarisk kommunikation af optiske masere, " de foreslog, at optiske impulser fra mikrobølgelasere kunne være en indikation af ekstraterrestrisk intelligens (ETI), der sender beskeder ud i kosmos.

Men som Hippke bemærker, seks årtier og mere end hundrede dedikerede søgeprogrammer senere, undersøgelser, der har ledt efter disse særlige teknosignaturer, har ikke givet noget konkret. Dette er ikke for at sige, at forskerne har ledt efter de forkerte signaturer indtil videre, men at det kunne være nyttigt at overveje at støbe et bredere net. Som Hippke forklarede i sit papir:

"Vi leder efter (og bør blive ved med at lede) efter smalbåndsfyrtårnsprængninger, selvom vi ikke har fundet nogen endnu. På samme tid, det er muligt at udvide vores søgning... Det bliver nogle gange hævdet på gangene i astronomiafdelinger, at vi 'bare skal tune ind på det rigtige bånd' og – voilà – vil blive forbundet til den galaktiske kommunikationskanal."

En kvanterevolution

Mens stort set alle forsøg på at skabe kvanteprocessorer er relativt nye (foregået siden århundredeskiftet), selve konceptet går tilbage til begyndelsen af ​​1970'erne. Det var på dette tidspunkt, at Stephen Weisner, en professor i fysik ved Columbia University på det tidspunkt, foreslået, at oplysninger sikkert kunne kodes ved at drage fordel af superpositionsprincippet.

Dette princip angiver "spin" af en elektron, en grundlæggende egenskab, der kan orienteres "op" eller "ned, " er ubestemt - hvilket betyder, at det kan være enten den ene eller begge samtidigt. Så mens et op- eller ned-spin svarer til nuller og etaller i binær kode, superpositionsprincippet betyder, at kvantecomputere kan udføre et eksponentielt større antal beregninger på et givet tidspunkt.

Ud over evnen til at udføre flere funktioner, Hippke identificerer fire mulige årsager til, at en ETI ville vælge kvantekommunikation. Disse omfatter "gate-keeping, "kvanteoverherredømme, informationssikkerhed, og informationseffektivitet. "De foretrækkes frem for klassisk kommunikation med hensyn til sikkerhed og informationseffektivitet, og de ville være undsluppet at blive opdaget i alle tidligere søgninger, " han skriver."

Brugen af ​​computere har udviklet sig betydeligt i løbet af det sidste århundrede, fra isolerede maskiner til det verdensomspændende web, og muligvis til et interplanetarisk netværk i fremtiden. Ser på fremtiden, Hippke hævder, at det ikke er langt ude at tro, at menneskeheden kan komme til at stole på et interstellært kvantenetværk, der muliggør distribueret kvanteberegning og transmission af qubits over lange afstande.

Baseret på antagelsen om, at menneskeheden ikke er en yderside, men repræsentativt for normen (aka. det kopernikanske princip) er det logisk at antage, at en avanceret ETI allerede ville have skabt et sådant netværk. Baseret på menneskehedens forskning i kvantekommunikation, Hippke fire mulige metoder. Den første er "polarisationskodning, ", som er afhængig af lysets vandrette og lodrette polarisering for at repræsentere data.

Den anden metode involverer "Fock-tilstanden" af fotoner, hvor et signal kodes ved at veksle mellem et diskret antal partikler og vakuum (svarende til binær kode). De to resterende muligheder involverer enten tidsbokskodning - hvor tidlig og sen ankomst bruges - eller sammenhængende lyskodning, hvor lys er amplitude-klemmet eller fase-klemmet for at simulere en binær kode.

Sikkerhed og overherredømme

Af de mange fordele, som kvantekommunikation ville give for en teknologisk avanceret art, Gate-Keeping er især interessant på grund af de implikationer, det kan have for SETI. Trods alt, forskellen mellem, hvad vi antager, er den statistiske sandsynlighed for intelligent liv i vores univers og manglen på beviser for det (alias Fermi-paradokset) råber på forklaringer. Som Hippke udtrykker det:

"ETI kan bevidst vælge at gøre kommunikation usynlig for mindre avancerede civilisationer. Måske føler de fleste eller alle avancerede civilisationer behovet for at holde "aberne" ude af den galaktiske kanal, og lad medlemmer kun deltage over et vist teknologisk minimum. At mestre kvantekommunikation kan afspejle denne grænse."

The idea of quantum communication was first argued by Mieczyslaw Subotowicz, a professor of astrophysics at the Maria Curie-Sklodowska University in Lublin (Poland), in 1979. In a paper titled "Interstellar communication by neutrino beams, " Subotowicz argued that the difficulties this method presented would be a selling point to a sufficiently advanced extraterrestrial civilization (ETC).

By opting for a means of communication that has such a small cross-section, an ETC would only be able to communicate with similarly advanced species. Imidlertid, Hippke noted, this also makes it virtually impossible to detect entangled pairs of neutrinos. Af denne grund, entangled photons would not only provide for gate-keeping, but they would also be detectable by those meant to receive them.

Tilsvarende quantum communication is also preferable because of the security it allows for, which is one of the main reasons the technology is being developed here on Earth. Quantum key distribution (QKD) enables two parties to produce a shared key that can be used to encrypt and decrypt secret messages. I teorien, this will lead to a new era where encrypted communications and databases are immune to conventional cyber attacks.

Ud over, QKD has the unique advantage of letting the two parties detect a potential third party attempting to intercept their messages. Based on quantum mechanics, any attempt to measure a quantum system will collapse the wave function of any entangled particles. This will produce detectable anomalies in the system, which would immediately send up red flags. Said Hippke:

"We do not know whether ETI values secure interstellar communication, but it is certainly a beneficial tool for expansive civilizations which consist of actions, like humanity today. Derfor, it is plausible that future humans (or ETI) have a desire to implement a secure interstellar network."

Another major advantage to quantum computing is its ability to solve problems exponentially faster than its digital counterparts—what is known as "quantum supremacy." The classic example is Shor's algorithm, a polynomial-time quantum algorithm for factoring integers that a conventional computer would take years to solve, but a quantum computer could crack in mere seconds.

In traditional computing, public-key encryption (such as the RSA-2048 encryption) employs mathematical functions that are very difficult and time-consuming to compute. Given that they can accommodate an exponentially greater number of functions, it is estimated that a quantum computer could crack the same encryption in about ten seconds.

Sidst, men ikke mindst, there's the greater photon information efficiency (PIE) that quantum communications offer over classical channels—measured in bits per photon. According to Hippke, quantum communications will improve the bits per photon efficiency rating by up to one-third. In this regard, the desire for more efficient data transmissions will make the adoption of a quantum network something of an inevitability.

"Turned the other way around, classical channels are energetically wasteful, because they do not use all information encoding options per photon, " he writes. "A quantum advantage of order 1/3 does not seem like much, but why waste it? It is logical to assume that ETI prefers to transmit more information rather than less, per unit energy."

Challenges

Selvfølgelig, no SETI-related pitch would be complete without mentioning the possible challenges. Til at begynde med, there's the matter of decoherence, where energy (and hence, information) is lost to the background environment. Where transmissions through interstellar space are concerned, the main issues are distance, free electrons (solar wind), interplanetary dust, and the interstellar medium—low-density clouds of dust and gas.

"As a baseline, the largest distance over which successful optical entanglement experiments have been performed on Earth is 144 km, " notes Hippke. Since the mass density of the Earth's atmosphere is 1.2 kg m ^-3 , this means that a signal passing through a column 144 km (~90 mi) in length was dealing with a column density of 1.728×10 ⁵ kg m ^-2 . I modsætning, the column density between Earth and the nearest star (Proxima Centauri) is eight orders of magnitude lower (3×10 ^-8 kg m ^-2 ).

Another issue is the delay imposed by a relativistic Universe, which means that messages to even the closest star systems would take years. Som resultat, quantum computation is something that will be performed locally for the most part, and only condensed qubits will be transmitted between communication nodes. Med det i tankerne, there are a few indications humanity could be on the lookout for in the coming years.

What to Look For?

Depending on the method used to transmit quantum information, certain signatures would result that SETI researchers could identify. På nuværende tidspunkt SETI facilities that conduct observations in the visible light spectrum are not equipped to receive quantum communications (since the technology does not exist yet). Imidlertid, they are equipped to detect photons, obtain spectra, and perform polarization experiments.

Som sådan, argues Hippke, they would be able to tease out potential signals from the background noise of space. This is similar to what Professor Lubin suggested in a 2016 paper ("The Search for Directed Intelligence"), where he argued that optical signals (lasers) used for directed-energy propulsion or communications would result in occasional "spillover" that would be detectable.

In much the same way, "errant" photons could be collected by observatories and measured for signs of encoding using various techniques (including the ones identified in the study). One possible method Hippke recommends is long-duration interferometry, where multiple instruments monitor the amplitude and phase of electromagnetic fields in space over time and compare them to a baseline to discern the presence of encoding.

One thing bears consideration though:If by listening in on ETI quantum communications, won't that cause information to be lost? And if so, would the ETI in question not realize we were listening in? Assuming they were not aware of us before, they sure would be after all this went down! One might conclude that it would be better to not eavesdrop on the conversations of more advanced species!