Kaip aptikti tarpžvaigždinę kvantinę komunikaciją? UFO Page. Lithuanian

Po 6-ių dešimtmečių SETI vis dar reikia surasti. Beveik visos pastangos orientuotos į radijo signalus (bet skaitykite ir apie SETI veiklos plėtimąsi...). Bet gal kažkokias strategijas praleidome?! O kas, jei tarpžvaigždinei komunikacijai naudojama kvantinė koherencija1)?! Juk kvantiniai metodai suteikia pranašumų efektyvumo ir saugumo atžvilgiais. Ir netgi egzistuoja metodai tokių komunikacijų paieškai panaudojai komerciškai prieinamas priemones.

Prieš kokius 200 m. didysis vokiečių matematikas K. Gausas pasiūlė dideliame trikampio formos Sibiro plote iškirsti medžius ir taip pasiųsti žinutę Mėnulio gyventojams. O kai 19 a. pabaigoje buvo iškasta nemažai kanalų, tame tarpe ir Sueco bei Panamos, šios veiklos įkvėpti astronomai ėmė ieškoti technologijų požymių kitose planetose – ir taip italas Dž. Skiaparelis juos „rado“ Marse, tada P. Loueliui paskelbiant juos esant dirbtinės kilmės.

Panašiai nutiko praėjus keliems metams po to, kai 1894 m. gruodį G. Markonis pirmąkart parodo radijo ryšio veikimą, - N. Tesla „aptiko“ radijo bangas iš Marso (žr. >>>>>)! Du straipsniai apie 1960-us „Nature“ žurnale davė impulsą SETI – pirmąkart pateikti tikslūs moksliniai apibūdinimai tarpžvaigždinės komunikacijos dažniams ir apribojimams naudojant radijo bangas (skaitykite >>>>>) ir šviesos signalus: vienas jų. 1960-2018 m. laikotarpiu SETI institutas atliko 104 eksperimentus su radijo teleskopais – nė vienas jų nieko neaptiko (kaip ir optiniame, rentgeno ar infraraudonuosiuose diapazonuose).

Elementariųjų dalelių teorija 20 a. pakeitė mūsų požiūrį į pasaulį. Ir iš 37-ių Standartinio modelio el. dalelių kelios tinka tarpžvaigždinei komunikacijai – ir iš jų tinkamiausios yra fotonai, nes neturi masės ir skrieja šviesos greičiu, o taip pat kiekvienas jų gali pernešti kelis bitus informacijos. Fotonai nėra vien šviesos dalelės – jie sutinkami elektromagnetiniame diapazone kaip radijo bangos bei aukštesnių energijų dalelėse (rentgeno ir gama spinduliuose). Be fotonų, pvz., duomenis gali pernešti ir neutrinai, kurių pranašumas tas, kad jie gali pranikti pro kilometro storio uolienas, tačiau turi ir trūkumą, nes juos ypač sunku aptikti (nes praneria praktiškai bet kurį detektorių). Va tik Higso bozonas, atrastas 2012 m. (jei iš tikro atrastas?) LHC greitintuve, mažiausiai tinka tolimoms komunikacijoms.

Kvantinės komunikacijos privalumai

Informacinis efektyvumas.
Transmiteris generuoja el. dalelių pulsą ir per parabolinį veidrodį fokusuoja į spindulį, kurio minimalų skersmenį riboja difrakcija (t.y., keliaudamas ilgą atstumą spindulys plėsis). Pvz., spindulį fokusuojant per 1 m teleskopą ir siunčiant į Kentauro Alfą (už 4 švm.) jo kūgio skersmuo jau bus kaip atstumas nuo Žemės iki Saulės (t.y. 1 a.v.). Tad receiveris Kentauri Alfoje gaus tik mažą dalį išsiųstų fotonų. Tačiau gerai, kad fotonus lengva gaminti – per 10¹⁹ fotonų per 1 sek. paskleidžia 1 W galios lazeris.

Bet kaip kiekviename fotone užkoduoti kuo daugiau informacijos? Fotonai (be krypties informacijos) turi tris laisvės laipsnius (atvykimo laiką, energiją (t.y. bangos ilgį ir dažnį) ir poliarizaciją). Deja, bitų kiekis koduotinas per laisvės laipsnį didėja tik logaritmiškai, o kadangi praktiškai dar vienas bitas prarastinas ir skirtas trikdžiams, tai vargiai galima perduoti 10 bitų vienu fotonu. Tačiau kvantinė komunikacija leidžia padidinti informacijos tankį bent 50% - ir tam yra galimi keli būdai. Vienas jų remiasi galimybe „suspausti“ šviesą – o tada atvykimo laikas gali būti nustatomas tiksliau (kitų parametrų kaina). Tad vienas fotonas gali „nešti“ jau 15 bitų informacijos.
Informacijos saugumas.
Šiuolaikiniai šifravimo metodai daugiausia paremti matematinėmis funkcijomis „į vieną pusę“. Šiuo atveju saugumas remiasi tuo, kad dar nerastas efektyvus būdas jį įveikti, bet nėra matematinio įrodymo, kad jo nėra. Be to, „pralaužimui“ galima pasinaudoti kvantiniais kompiuteriais. Kitas reikalas – kvantinė kriptografija, kuri nenulaužiama tol, kol transmisijos metu nepadaroma klaida (ir kol niekas nepaneigė kvantinės mechanikos).
Prieigos ribojimas.
Bet jei egzistuoja galaktinis internetas, kaip jį apsaugoti nuo „neišsilavinusių“ civilizacijų brukalų? Šią problemą jau nagrinėjo lenkas M. Subotovičius 1979 m. straipsnyje apie komunikaciją naudojant neutrinus – atseit reiktų naudoti tik šią komunikacijos rūšį. Tačiau ji labai neefektyvi – ir kaip pradinį barjerą leisti naudoti tik kvantinę komunikaciją, taip atribojant jaunas civilizacijas (tokias, kaip mūsiškė).
Kvantiniai skaičiavimai.
Kvantiniai kompiuteriai kai kuriuos uždavinius gali spręsti žymiai efektyviau. Jie gali leisti atsirasti „kvantiniam internetui“, kuriuo būtų perduodami ne paprasti bitai, o kubitai.

Idėja kvantinį susiejimą panaudoti informacijos perdavimui akimirksniu dažna mokslinėje fantastikoje, pvz.,Liu Cycino „Trijų kūnų uždavinyje“ „trisoliariečiai“ komunikacijai naudoja kvantiškai susietus protonus. Bet ji skamba per gerai, kad būtų teisinga – ir iš tikro turi 3 „gliukus“. Pirma, negalima keisti informacija greičiau už šviesos greitį (nes bus pažeistas priežastingumo principas). Antra, kvantinis susiejimas veikia kitaip – negalima pakeisti vienos iš dviejų susietos dalelės paveikiant kitos būseną: vos tik viena dalelė pakinta, susiejimas nutraukiamas („ryšio nebuvimo teorema²⁾“). Trečia, informacijos perdavimas nedalyvaujant dalelėms negalimas (informacija visad susijusi su mase/energija ir atskirai negalima).

Bet palaukite - tokia galimybė vis tik egzistuoja kaip išankstinis susiejimas. Tarkim, kad sugebam susieti ir išsaugoti didelį kiekį kvantiškai susietų protonų (kas nėra taip lengva, nes kvantinė atmintis išlaiko kvantinį susiejimą tik 6 val. – ir tai tik su ypatingomis pastangomis – bet galbūt technologinė pažanga išspręs šią problemą). Tada pusę tokių susietų protonų vežame tarpžvaigždiniu erdvėlėkiu (arba nugabename į paskirties tašką). Tada komunikacija su erdvėlėkiu (arba paskirties tašku) gali būti momentinė – tiesiog pakeičiamos ne erdvėlėkyje esančių protonų būsenos (o tai automatiškai pakeičia būsenas ir susietų protonų būsenas erdvėlėkyje). Kadangi susietų protonų kiekis yra didelis, perduodamos informacijos kiekis irgi nemažas (nors negatyvūs veiksniai irgi jos kiekį kiek sumažina).

Įdomiausia, kad kvantinė komunikacija jau prieinama Žemėje. Kai 2016 m. LIGO aptiko gravitacines dviejų „juodųjų skylių“ susiliejimo sukeltas gravitacines bangas, buvo panaudotas „šviesos suspaudimas“. Tai lazerio spindulys, keliaujantis per labai tiksliai valdomą kristalą (OPO), kai žalias fotonas paverčiamas dviem raudonais susietais fotonais (kas vadinama „suspaustu vakuumu“). Tai sumažina fazinį neapibrėžtumą dėl amplitudės fliuktuacijos. Tik labai svarbu tiksliai nustatyti fotonų atvykimo laiką, kad būtų palygintas kelio atstumas su gravitacinėmis bangomis ir be jų. O štai fotonų ryškumas nėra svarbus.

Tokia suspausta šviesa su žemesnėmis fliuktuacijomis irgi pagerina tarpžvaigždinį ryšį lyginant su paprasta šviesa. Tik lieka neišspręstas klausimas kaip geriau moduliuoti duomenis. Be to signalo stiprumas vis dar žemas – LIGO naudojo tik kelis „suspaustos šviesos“ vatus. Bet jau suplanuoti kelių kilovatų galios kvantinės šviesos šaltiniai.

Taigi, tarkim, kad nežemiečiai naudoja kvantinę komunikaciją... Bet kaip tada ją aptikti? Susieti fotonai yra tiesiog fotonai – argi jų negalima jų aptikti SETI eksperimentų metu? Iš principo – taip. Atskiras vienas fotonas iš esmės neleidžia nustatyti, kur jo šaltinis – žvaigždė ar lazeris. Tačiau fotonai retai lekioja pavieniui. Ir jei mes su 1 m teleskopu nustatysime, kad 1 ns laikotarpiu iš Kentauro Alfos gavome 1000 fotonų su 650 nm bangos ilgiu (raudonos šviesos), galime būti tikri, kad jie atėjo ne iš žvaigždės (iš žvaigždės į mūsų teleskopą per 1 ns patenka tik po 32 bet kurio bangos ilgio fotonų). Klasikinė SETI paieška remiasi būtent šia prielaida.

Kvantinės komunikacijos paieškai reikia tikrinti kvantines savybes (pvz., „suspaustos šviesos“ buvimą ar nebuvimą). Juk ir nežinoma natūralių šaltinių, galinčių skleisti „suspaustą šviesą“. Ją aptikus, tai turėtų nepaprastai sudominti. O juk yra būdų tam patikrinti nenaudojant teleskopų ar detektorių – paprasčiausiu būdu yra patikrinti jų intensyvumą ir netiesinę koreliaciją, kam tereikia gero CCD (charge-coupled device) sensoriaus. Egzistuoja ir daugybė kitų būdų šviesos kvantinių savybių patikrinimui; kai kuriuos jų laikas nuo laiko naudoja žvaigždžių apimčiai (skersmeniui) nustatyti (intensyvumo interferometrija). Kaip minėta, kvantiniai efektai niekad nesutinkami natūraliuose šviesos šaltiniuose, tad jų aptikimas būtų rimtas argumentas dėl techninės jų kilmės.

¹⁾ Koherentiškumas fizikoje – statistiškas bangų panašumas dviejuose laiko ar erdvės taškuose. Taip pat jis cnurodo interferencijos kokybę, pvz., du šviesos spinduliai koherentiški, jei jie vienodo dažnio, fazės (ar fazių skirtumo) ir poliarizacijos. Klasikinis pavyzdys – du vienodo dažnio sinosoidiniai svyravimai. Gali būti erdvinis ir laikinis koherentiškumas. Koherentišką šviesą skleidžia lazeriai.

Kvantinė koherencija išreiškia situaciją, kai objekto bangos savybė skyla į dvi ir dvi bangos koherentiškai tarpusavyje interferuoja. Ji remiasi idėja, kad visi objektai turi į bangas panašias savybes. Daugeliu atvejų tai panašu į kvantinį susiejimą, tik vietoje kvantinių dalelių veikia bangos.

²⁾ Komunikacijos negalimumo teorema - kvantinės informacijos teorema, teigianti, kad, matuojant susietą kvantinę būseną, kad negalima vienam stebėtojui, matuojančiam sistemos dalies būseną, perduoti informaciją kitam stebėtojui. Taip ši teorema nustato sąlygas, kurioms esant negalimas informacijos perdavimas greičiau nei šviesos greitis, t.y. negalima informacijos bitų perduoti per mišrias ar grynas būsenas, nepriklausomai nuo to ar jos susietos ar ne.