Могут ли межзвездные квантовые коммуникации задействовать Землю или разрешить парадокс Ферми?

Допустимые длины волн для межзвездной квантовой связи. Для заданного расстояния (левая вертикальная ось) квантовая связь невозможна, если горизонтальная линия расстояния проходит через синюю область длины волны. Серые области недоступны для наземных телескопов. Автор: arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.02445

До сих пор поиск внеземного разума (SETI) использовал стратегии, основанные на классической науке — прослушивание радиоволн, телескопы, следящие за оптическими сигналами, телескопы на орбите, прочесывающие свет из атмосфер экзопланет, сканирование лазерного света, который может исходить от инопланетян. Может ли квантово-механический подход сделать лучше?

Лэтэм Бойл говорит, что, возможно, так оно и есть. «Интересно, что наша галактика (и море космического фонового излучения, в которое она погружена) «действительно» допускает межзвездную квантовую связь в определенных диапазонах частот», — говорит он.

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

Что касается межзвездной коммуникации, Бойл писал: «Естественно задать вопрос, возможно ли также отправлять или получать межзвездные квантовые коммуникации». Его препринт был опубликован на сервере препринтов arXiv и отправлен в рецензируемый журнал.

Идея заключается в использовании запутанных пар кубитов, одна из которых хранится у отправителя, а другая отправляется 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 — каким-то образом связанными так, 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: один из них находился на поверхности Земли, а другой — в космическом корабле, вращающемся вокруг планеты.

Кубит — это единица квантовой информации. Квантовая механика позволяет, посредством квантовой суперпозиции, частице, такой как фотон, находиться в двух состояниях одновременно, например, со спином вверх и спином вниз. В то время как в классической коммуникации фотон находится в одном состоянии, бите, то есть либо со спином вверх, либо со спином вниз, но не в обоих одновременно. Отличие кубита делает их более мощными для многих приложений.

Бойль сосредоточился на физических требованиях и ограничениях отправки и обнаружения такого кубитового сигнала, начав с «квантовой емкости» передачи — максимальной скорости, с которой квантовый канал связи может передавать квантовую информацию.

Многое уже известно о квантовых каналах связи из исследований и экспериментов квантовой телепортации, квантовой криптографии, квантовой запутанности и других квантовых явлений. Протоколы, основанные на квантовой связи, экспоненциально быстрее, чем основанные на классической связи — каналы, передающие один бит за раз от передатчика к приемнику — для некоторых задач.

Используя известные ограничения на квантовую емкость для так называемых квантовых каналов стирания и свойства межзвездной среды, Бойль смог получить два важных результата: квантовая емкость больше нуля требует, чтобы обмениваемые фотоны лежали в определенных разрешенных диапазонах частот, и что эффективный диаметр как отправляющего, так и принимающего телескопов должен быть больше значения, пропорционального квадратному корню из длины волны фотона, умноженной на расстояние между телескопами.

Согласно анализу Бойля, для того чтобы квантовая емкость не обращалась в нуль, необходимо, чтобы обмениваемые фотоны имели длину волны менее 26,5 см, в основном для того, чтобы избежать осложнений с космическим микроволновым фоном.

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, Бойл считает, что наземный телескоп должен быть не менее 100 километров в диаметре.

Излишне говорить, что это огромная разница по сравнению с крупнейшим наземным телескопом, строящимся сейчас, — Европейским сверхбольшим телескопом, который строится в Чили и получит диаметр 0,04 км (40 метров).

«На самом деле», — сказал Бойл, — «необходимые телескопы настолько велики, что если у инопланетного отправителя есть достаточно большой передающий телескоп, он обязательно также сможет увидеть, что мы еще не построили достаточно большой принимающий телескоп, поэтому он будет знать, что пока не имеет смысла связываться с нами».

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

Выше атмосферы можно использовать более короткие длины волн, для чего потребуется меньший телескоп, возможно, на Луне или в точке Лагранжа L2 на Земле, но даже для гамма-лучей с длиной волны порядка 0,001 нм все равно потребуются телескопы диаметром около 200 метров.

Телескоп не обязательно должен представлять собой одну тарелку — это может быть множество небольших тарелок, расположенных близко друг к другу (на Земле или в космосе), но они должны быть расположены близко друг к другу, «как ячейки в сотах», сказал Бойл.

На линии между отправителем и целью можно также разместить ряд реле или квантовых повторителей, но для диаметров менее 100 метров телескопы-репитеры должны быть размещены через каждую десятую астрономической единицы, что включает в себя и нашу собственную солнечную систему. Поддержание их в выравнивании может быть проблемой (для них поначалу, не для нас).

Недостающим элементом является то, как получатель узнает, что прибывающий сигнал является квантово-механическим, а не классическим, "а именно" частью запутанной пары, если инопланетяне и люди начинают без какой-либо предварительной коммуникации. "Я думаю, что этот ответ - по крайней мере еще одна отдельная статья", - сказал Бойл.

Больше информации: Latham Boyle, On Interstellar Quantum Communication and the Fermi Paradox, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.02445