Dalla metà del XX secolo, gli scienziati hanno cercato prove di vita intelligente oltre il nostro sistema solare. Per gran parte di quel tempo, gli scienziati che sono impegnati nella ricerca di intelligenza extraterrestre (SETI) si sono affidati a sondaggi di radioastronomia per cercare segni di attività tecnologica (noti anche come "firme tecnologiche"). Con 4, 375 esopianeti hanno confermato (e in aumento!) Si prevede che sforzi ancora maggiori si verificheranno nel prossimo futuro.

In attesa di questi sforzi, i ricercatori hanno preso in considerazione altre possibili tecnofirme di cui dovremmo essere alla ricerca. Secondo Michael Hippke, uno studioso in visita presso l'UC Berkeley SETI Research Center, la ricerca dovrebbe anche essere ampliata per includere la comunicazione quantistica. In un'epoca in cui l'informatica quantistica e le tecnologie correlate si stanno avvicinando alla realizzazione, ha senso cercarne i segni altrove.

La ricerca di tecnofirme, e ciò che costituisce i più promettenti, è stato oggetto di rinnovato interesse negli ultimi anni. Ciò è dovuto in gran parte al fatto che migliaia di esopianeti sono disponibili per studi di follow-up utilizzando i telescopi di prossima generazione che saranno operativi nei prossimi anni. Con questi strumenti alla ricerca di aghi nel "pagliaio cosmico, "Gli astrobiologi devono avere ben chiaro cosa cercare.

A settembre del 2018, La NASA ha ospitato un Technosignatures Workshop, a cui è seguita la pubblicazione del loro Technosignature Report. Entro agosto 2020, La NASA e il Blue Marble Institute hanno sponsorizzato un altro incontro, Technoclimes 2020, per discutere concetti per ricerche future che cercherebbero tecnofirme oltre i soliti segnali radio. Come qualcuno che ha dedicato la sua vita professionale a SETI, Hippke ha molti spunti da offrire.

La ricerca finora

Come ha notato nel suo studio, i moderni sforzi del SETI iniziarono nel 1959 quando il famoso pioniere del SETI Giuseppe Cocconi e il fisico Philip Morrison (entrambi della Cornell University all'epoca) pubblicarono il loro articolo fondamentale, "Alla ricerca di comunicazioni interstellari". In questo documento, Coccini e Morrison consigliarono di cercare segni di vita intelligente cercando segnali a banda stretta nello spettro radio.

Questo fu seguito due anni dopo da R.N. Schwartz e C.H. Townes dell'Institute of Defense Analyses (IDA) di Washington D.C. Nel loro articolo, "Comunicazione interstellare e interplanetaria tramite maser ottici, " hanno proposto che gli impulsi ottici dei laser a microonde potrebbero essere un'indicazione dell'intelligenza extraterrestre (ETI) che invia messaggi nel cosmo.

Ma come nota Hippke, sei decenni e più di cento programmi di ricerca dedicati dopo, i sondaggi che hanno cercato queste particolari tecnofirme non hanno prodotto nulla di concreto. Questo non vuol dire che finora gli scienziati abbiano cercato le firme sbagliate, ma che potrebbe essere utile considerare di gettare una rete più ampia. Come ha spiegato Hippke nel suo articolo:

"Stiamo cercando (e dovremmo continuare a cercare) esplosioni di fari a banda stretta, anche se non ne abbiamo ancora trovati. Allo stesso tempo, è possibile ampliare la nostra ricerca... A volte si sostiene nei corridoi dei dipartimenti di astronomia che dobbiamo "solo sintonizzarci sulla banda giusta" e - voilà - saremo collegati al canale di comunicazione galattica."

Una rivoluzione quantistica

Mentre praticamente tutti i tentativi di creare processori quantistici sono relativamente recenti (si verificano dall'inizio del secolo), il concetto stesso risale ai primi anni '70. Fu in quel momento che Stephen Weisner, all'epoca professore di fisica alla Columbia University, proponeva che le informazioni potessero essere codificate in modo sicuro sfruttando il principio di sovrapposizione.

Questo principio afferma lo "spin" di un elettrone, una proprietà fondamentale che può essere orientata "su" o "giù, " è indeterminato, nel senso che può essere uno o entrambi contemporaneamente. Quindi, mentre uno spin verso l'alto o verso il basso è simile agli zeri e agli uno del codice binario, il principio di sovrapposizione significa che i computer quantistici possono eseguire un numero esponenzialmente maggiore di calcoli in un dato momento.

Oltre alla capacità di svolgere più funzioni, Hippke identifica quattro possibili ragioni per cui un ETI opterebbe per le comunicazioni quantistiche. Questi includono "custodia del cancello, " supremazia quantistica, informazioni di sicurezza, ed efficienza informativa. "Sono preferiti alle comunicazioni classiche per quanto riguarda la sicurezza e l'efficienza delle informazioni, e sarebbero sfuggiti al rilevamento in tutte le ricerche precedenti, " lui scrive."

L'uso dei computer si è notevolmente evoluto nel corso dell'ultimo secolo, dalle macchine isolate al web mondiale, e possibilmente a una rete interplanetaria in futuro. Guardando al futuro, Hippke sostiene che non è inverosimile credere che l'umanità possa fare affidamento su una rete quantistica interstellare che consente il calcolo quantistico distribuito e la trasmissione di qubit su lunghe distanze.

Partendo dal presupposto che l'umanità non è un valore anomalo, ma rappresentativo della norma (alias il Principio Copernicano) è logico supporre che un ETI avanzato avrebbe già creato tale rete. Sulla base della ricerca dell'umanità sulle comunicazioni quantistiche, Hippke quattro possibili metodi. Il primo è "codifica di polarizzazione, " che si basa sulla polarizzazione orizzontale e verticale della luce per rappresentare i dati.

Il secondo metodo prevede lo "stato di Fock" dei fotoni, dove un segnale è codificato alternando un discreto numero di particelle e il vuoto (simile al codice binario). Le due opzioni rimanenti riguardano la codifica time-bin, in cui viene utilizzato l'arrivo anticipato e ritardato, o la codifica dello stato coerente della luce, dove la luce viene compressa in ampiezza o in fase per simulare un codice binario.

Sicurezza e supremazia

Dei molti vantaggi che le comunicazioni quantistiche presenterebbero per una specie tecnologicamente avanzata, Il Gate-Keeping è particolarmente interessante per le implicazioni che potrebbe avere per SETI. Dopotutto, la disparità tra ciò che assumiamo è la probabilità statistica di vita intelligente nel nostro Universo e la mancanza di prove per essa (alias il paradosso di Fermi) chiede spiegazioni. Come dice Hippke:

"ETI può deliberatamente scegliere di rendere le comunicazioni invisibili per le civiltà meno avanzate. Forse la maggior parte o tutte le civiltà avanzate sentono il bisogno di tenere le "scimmie" fuori dal canale galattico, e lasciare che i membri partecipino solo al di sopra di un certo minimo tecnologico. La padronanza delle comunicazioni quantistiche può riflettere questo limite".

L'idea della comunicazione quantistica è stata sostenuta per la prima volta da Mieczyslaw Subotowicz, professore di astrofisica presso l'Università Maria Curie-Sklodowska di Lublino (Polonia), nel 1979. In un articolo intitolato "Comunicazione interstellare mediante fasci di neutrini, " Subotowicz ha sostenuto che le difficoltà presentate da questo metodo sarebbero un punto di forza per una civiltà extraterrestre (ETC) sufficientemente avanzata.

Optando per un mezzo di comunicazione di così piccola sezione, an ETC would only be able to communicate with similarly advanced species. Però, Hippke noted, this also makes it virtually impossible to detect entangled pairs of neutrinos. Per questa ragione, entangled photons would not only provide for gate-keeping, but they would also be detectable by those meant to receive them.

Allo stesso modo, 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 teoria, this will lead to a new era where encrypted communications and databases are immune to conventional cyber attacks.

Inoltre, 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. Perciò, 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.

Scorso, ma non meno importante, 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. A questo proposito, 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."

Sfide

Certo, no SETI-related pitch would be complete without mentioning the possible challenges. Per i principianti, 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 kgm ^-2 . In contrasto, the column density between Earth and the nearest star (Proxima Centauri) is eight orders of magnitude lower (3×10 ^-8 kgm ^-2 ).

Another issue is the delay imposed by a relativistic Universe, which means that messages to even the closest star systems would take years. Di conseguenza, quantum computation is something that will be performed locally for the most part, and only condensed qubits will be transmitted between communication nodes. Con questo in testa, 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. Attualmente, SETI facilities that conduct observations in the visible light spectrum are not equipped to receive quantum communications (since the technology does not exist yet). Però, they are equipped to detect photons, obtain spectra, and perform polarization experiments.

Come tale, 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!