Sedan mitten av 1900-talet, forskare har letat efter bevis på intelligent liv bortom vårt solsystem. Under mycket av den tiden, forskare som är engagerade i sökandet efter utomjordisk intelligens (SETI) har förlitat sig på radioastronomiska undersökningar för att söka efter tecken på teknisk aktivitet (aka "teknosignaturer"). Med 4, 375 exoplaneter bekräftade (och räknar!) ännu större ansträngningar förväntas ske inom en snar framtid.

I väntan på dessa ansträngningar, forskare har övervägt andra möjliga teknosignaturer som vi bör vara på jakt efter. Enligt Michael Hippke, en gästforskare vid UC Berkeley SETI Research Center, sökningen bör också utökas till att omfatta kvantkommunikation. I en tid där kvantdatorer och relaterade teknologier närmar sig frukt, det är vettigt att leta efter tecken på dem någon annanstans.

Sökandet efter teknosignaturer, och vad som är de mest lovande, har varit föremål för förnyat intresse de senaste åren. Detta beror till stor del på att tusentals exoplaneter är tillgängliga för uppföljningsstudier med hjälp av nästa generations teleskop som kommer att vara i drift under de kommande åren. Med dessa instrument som söker efter nålar i den "kosmiska höstacken, "Astrobiologer måste ha klart för sig vad de ska leta efter.

I september 2018, NASA var värd för en Technosignatures Workshop, som följdes av släppet av deras Technosignature-rapport. Senast i augusti 2020, NASA och Blue Marble Institute sponsrade ytterligare ett möte – Technoclimes 2020 – för att diskutera koncept för framtida sökningar som skulle leta efter teknosignaturer utöver de vanliga radiosignalerna. Som någon som har ägnat sitt yrkesliv åt SETI, Hippke har många insikter att erbjuda.

Sökandet hittills

Som han noterade i sin studie, moderna SETI-ansträngningar började 1959 när den berömda SETI-pionjären Giuseppe Cocconi och fysikern Philip Morrison (båda vid Cornell University vid den tiden) publicerade sin framstående tidning, "Söker efter interstellär kommunikation." I det här pappret, Coccini och Morrison rekommenderade att söka efter tecken på intelligent liv genom att leta efter smalbandiga signaler i radiospektrumet.

Detta följdes två år senare av R.N. Schwartz och C.H. Townes of the Institute of Defense Analyzes (IDA) i Washington D.C. I deras papper, "Interstellär och interplanetär kommunikation av optiska mastrar, " de föreslog att optiska pulser från mikrovågslasrar kan vara en indikation på utomjordisk intelligens (ETI) som skickar meddelanden ut i kosmos.

Men som Hippke noterar, sex decennier och mer än hundra dedikerade sökprogram senare, undersökningar som har letat efter just dessa teknosignaturer har inte gett något konkret. Detta är inte att säga att forskarna har letat efter fel signaturer hittills, men att det skulle kunna vara bra att överväga att gjuta ett bredare nät. Som Hippke förklarade i sin tidning:

"Vi letar (och borde fortsätta leta) efter smalbandiga fyrsprängningar, även om vi inte har hittat några ännu. På samma gång, det är möjligt att utöka vårt sökande... Det hävdas ibland i korridorerna på astronomiavdelningarna att vi "bara måste ställa in oss på rätt band" och – voilà – kommer att vara kopplade till den galaktiska kommunikationskanalen."

En kvantrevolution

Medan praktiskt taget alla försök att skapa kvantprocessorer är relativt nya (som inträffat sedan sekelskiftet), själva konceptet går tillbaka till tidigt 1970-tal. Det var vid den här tiden som Stephen Weisner, en professor i fysik vid Columbia University vid den tiden, föreslog att information skulle kunna kodas säkert genom att dra fördel av principen om överlagring.

Denna princip anger "snurrandet" av en elektron, en grundläggande egenskap som kan vara orienterad "upp" eller "ner", " är obestämd – vilket betyder att det kan vara antingen en eller båda samtidigt. Så medan ett upp- eller nedsnurr liknar nollorna och ettorna i binär kod, superpositionsprincipen innebär att kvantdatorer kan utföra ett exponentiellt större antal beräkningar vid varje given tidpunkt.

Utöver möjligheten att utföra fler funktioner, Hippke identifierar fyra möjliga skäl till varför en ETI skulle välja kvantkommunikation. Dessa inkluderar "portvakt, "kvantöverhöghet, informationssäkerhet, och informationseffektivitet. "De föredras framför klassisk kommunikation när det gäller säkerhet och informationseffektivitet, och de skulle ha undgått upptäckt i alla tidigare sökningar, " han skriver."

Användningen av datorer har utvecklats avsevärt under det senaste århundradet, från isolerade maskiner till den globala webben, och eventuellt till ett interplanetärt nätverk i framtiden. Med blicken mot framtiden, Hippke hävdar att det inte är långsökt att tro att mänskligheten kan komma att förlita sig på ett interstellärt kvantnätverk som möjliggör distribuerad kvantberäkning och överföring av kvantbitar över långa avstånd.

Baserat på antagandet att mänskligheten inte är en extremist, men representativt för normen (aka. Kopernikanska principen) är det logiskt att anta att en avancerad ETI redan skulle ha skapat ett sådant nätverk. Baserat på mänsklighetens forskning om kvantkommunikation, Hippke fyra möjliga metoder. Den första är "polarisationskodning, " som förlitar sig på den horisontella och vertikala polariseringen av ljus för att representera data.

Den andra metoden involverar "Fock state" för fotoner, där en signal kodas genom att växla mellan ett diskret antal partiklar och vakuum (liknar binär kod). De två återstående alternativen involverar antingen tidsfackkodning – där tidig och sen ankomst används – eller koherent ljuskodningstillstånd, där ljus amplitud- eller fas-pressas för att simulera en binär kod.

Säkerhet och överhöghet

Av de många fördelar som kvantkommunikation skulle innebära för en tekniskt avancerad art, Gate-Keeping är särskilt intressant på grund av de konsekvenser det kan ha för SETI. Trots allt, skillnaden mellan vad vi antar är den statistiska sannolikheten för intelligent liv i vårt universum och bristen på bevis för det (aka. Fermi-paradoxen) skriker efter förklaringar. Som Hippke uttrycker det:

"ETI kan medvetet välja att göra kommunikation osynlig för mindre avancerade civilisationer. Kanske känner de flesta eller alla avancerade civilisationer behovet av att hålla "aporna" borta från den galaktiska kanalen, och låt medlemmar endast delta över ett visst tekniskt minimum. Att bemästra kvantkommunikation kan återspegla denna gräns."

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. Dock, Hippke noted, this also makes it virtually impossible to detect entangled pairs of neutrinos. Av denna anledning, entangled photons would not only provide for gate-keeping, but they would also be detectable by those meant to receive them.

Liknande, 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. In theory, this will lead to a new era where encrypted communications and databases are immune to conventional cyber attacks.

Dessutom, 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. Därför, 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.

Sista, men inte minst, 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

Självklart, no SETI-related pitch would be complete without mentioning the possible challenges. Till att börja, 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 kontrast, 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 ett 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 detta i åtanke, 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. För närvarande, SETI facilities that conduct observations in the visible light spectrum are not equipped to receive quantum communications (since the technology does not exist yet). Dock, 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!