Ученые говорят, что связь на основе эффекта квантовой запутанности не только возможна, но и пригодна для разговоров с инопланетными цивилизациями. И именно этим объясняется парадокс Ферми — отсутствие сигналов от инопланетян.
Возможность межзвездной квантовой связи
До сих пор поиск внеземного разума (SETI) использовал стратегии, основанные на классической науке: прослушивание радиоволн, наблюдение за оптическими сигналами с помощью телескопов, поиск света в атмосфере экзопланет с помощью орбитальных телескопов, сканирование лазерного света, которое может происходить от инопланетян. Может ли квантово-механический подход сделать это лучше?
Латам Бойл говорит, что да. «Интересно, что наша Галактика (и море фонового излучения, в которое она погружена) «допускает» межзвездную квантовую связь в определенных частотных диапазонах», — говорит он.
Исследователь Центра теоретической физики им. Хиггса при Эдинбургском университете в Шотландии Латам Бойл, который исследовал эту возможность, сказал: «Но в то время как наши нынешние телескопы достаточно большие, чтобы обеспечить межзвездную классическую связь, межзвездная квантовая связь требует огромных телескопов — гораздо больших, чем те, что мы построили до сих пор».
Далее его анализ приводит к еще одному потенциальному решению парадокса Ферми.
Использование запутанных пар кубитов для квантовой связи
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 — так, что определение свойства одного запутанного кубита немедленно определяет свойство другого.
Эта удивительная связь уже была продемонстрирована между фотонами на расстоянии более тысячи километров друг от друга, один из которых находится на поверхности Земли, а другой — в космическом аппарате на орбите планеты.
Кубит — это единица квантовой информации. Квантовая механика позволяет, благодаря квантовой суперпозиции, частицам, таким как фотон, находиться в двух состояниях одновременно, например, вращаться вверх и вращаться вниз. В то время как в классической связи фотон находится в одном состоянии, бите, то есть либо спинирован вверх, либо спинирован вниз, но не в обоих одновременно. Это различие кубитов делает их более мощными для многих применений.
Ограничение теории для квантовой связи
О квантовых каналах связи уже много известно из исследований и экспериментов по квантовой телепортации, квантовой криптографии, квантовой запутанности и других квантовых явлений. Протоколы, основанные на квантовой связи, экспоненциально быстрее протоколов, основанных на классической связи каналов, передающих один бит за раз от передатчика к приемнику — для некоторых задач.
Используя известные ограничения на квантовую пропускную способность для так называемых каналов квантового истирания и свойства межзвездной среды, Бойлу удалось получить два важных результата: квантовая пропускная способность больше нуля требует, чтобы фотоны, которыми обмениваются, лежали в определенных разрешенных частотных диапазонах, и чтобы эффективный диаметр как передающего, так и принимающего телескопов был больше величины, пропорциональной квадратному корню из длины волны фотона, умноженному на расстояние между телескопами.
Согласно анализу Бойла, квантовая способность, которая не исчезает, требует, чтобы фотоны, которыми обмениваются, имели длину волны менее 26,5 см, главным образом, чтобы избежать осложнений, связанных с космическим микроволновым фоном.
Более того, в то время как классическая связь может происходить, если приемник получает лишь крохотный процент передаваемых фотонов (как в случае с радиосигналами), квантовая связь требует, чтобы большинство посланных фотонов было обнаружено телескопом приемника.
Требования для сверхбольших телескопов при квантовой связи
Для наземного телескопа этот диаметр был огромным. Длина волны фотона должна составлять по меньшей мере 320 нм, чтобы пройти сквозь атмосферу Земли, а учитывая, что расстояние до нашей ближайшей звезды, Проксимы Центавра, составляет 4,25 световых лет, Бойл считает, что наземный телескоп должен быть не менее 100 км в диаметре.
Понятно, что это очень отличается от самого большого наземного телескопа, который сейчас строится в Чили, — Европейского сверхбольшого телескопа, диаметр которого будет составлять 0,04 км (40 м).
«На самом деле, — сказал Бойл, — необходимы телескопы настолько большие, что если у внеземного отправителя достаточно большой передающий телескоп, он обязательно увидит, что мы еще не построили большого приемного телескопа, и поймет, что связываться с нами пока нет смысла».
«И, может быть, мы от них ничего не слышали, отмечает он. — Другими словами, предположение, что инопланетяне общаются квантово-механически, кажется достаточным для объяснения парадокса Ферми».
Технологические сложности реализации квантовой связи
Вне атмосферы можно было бы использовать более короткие длины волн, что потребовало бы меньшего телескопа, возможно, на Луне или в точке Лагранжа L2, но даже гамма-лучи с длиной волн порядка 0,001 нм все равно требовали бы диаметра телескопа около 200 м.
Телескоп не обязательно должен быть одной тарелкой — это может быть много маленьких тарелок, расположенных близко друг к другу (на Земле или в космосе), но они должны быть сближены, как ячейки в сотах, говорит Бойл.
На линии между отправителем и целью также можно было бы разместить серию реле или квантовых ретрансляторов, но для диаметров менее 100 м телескопы-ретрансляторы нужно было бы разместить через каждую десятую часть астрономической единицы, включающей нашу Солнечную систему. Удержание их на одной линии может стать проблемой (сначала для них, а не для нас).
Отсутствующая часть — как приемник узнает, что поступающий сигнал является квантово-механическим, а не классическим, то есть частью запутанной пары, если инопланетяне и люди не имеют предварительной связи. «Я думаю, что ответ на это — по меньшей мере одна дополнительная статья», — сказал Бойл.
По материалам phys.org
