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 impegnati nella ricerca di intelligenza extraterrestre (SETI) si sono affidati alle indagini radioastronomiche per cercare segni di attività tecnologica (aka. ' tecnofirme “). Insieme a Confermati 4.375 esopianeti (e continua!) si prevede che nel prossimo futuro saranno compiuti sforzi ancora maggiori.
In previsione di questi sforzi, i ricercatori hanno preso in considerazione altre possibili firme tecnologiche di cui dovremmo essere alla ricerca. Secondo Michael Hippke , uno studioso in visita presso il Centro di ricerca SETI dell'UC Berkeley , la ricerca dovrebbe essere ampliata anche per includere la comunicazione quantistica. In un'epoca in cui l'informatica quantistica e le tecnologie correlate si stanno avvicinando alla fruizione, ha senso cercarne i segni altrove.
La ricerca delle tecnofirme, e di quelle che costituiscono le più promettenti, è stata 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 chiaro cosa cercare.
In Settembre 2018 , la NASA ha ospitato a Laboratorio di firme tecnologiche , che è stato seguito dal rilascio del loro Rapporto sulla firma tecnologica . Entro agosto del 2020, la NASA e il Istituto Marmo Blu sponsorizzato un altro incontro - Tecnoclimi 2020 – discutere concetti per ricerche future che cercherebbero tecnofirme al di là dei soliti segnali radio. Come qualcuno che ha dedicato la sua vita professionale a SETI, Hippke ha molte intuizioni da offrire.
La ricerca finora
Come ha notato nel suo studio, i moderni sforzi SETI sono iniziati nel 1959 quando il famoso pioniere SETI Giuseppe Cocconi & fisico Philip Morrison (entrambi della Cornell University all'epoca) hanno pubblicato il loro documento seminale, ' Alla ricerca di comunicazioni interstellari .” In questo articolo, Coccini e Morrison hanno raccomandato 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. città del Istituto di analisi della difesa (IDA) a 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 osserva 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 Hippke spiegato nel suo giornale:
“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 nei corridoi dei dipartimenti di astronomia si sostiene che “dobbiamo solo sintonizzarci sulla banda giusta” e – voilà – saremo collegati al canale di comunicazione galattico”.
Foto della regione centrale della Via Lattea Credito: UCLA SETI Group/Yuri Beletsky, Osservatorio Carnegie Las Campanas
Una rivoluzione quantistica
Sebbene praticamente tutti i tentativi di creare processori quantistici siano 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, propose che le informazioni potessero essere codificate in modo sicuro sfruttando il principio di sovrapposizione.
Questo principio afferma che lo 'spin' di un elettrone, una proprietà fondamentale che può essere orientata 'su' o 'giù', è indeterminato, il che significa 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 il 'gate-keeping', la supremazia quantistica, la sicurezza delle informazioni e l'efficienza delle informazioni. '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', scrive.
L'uso dei computer si è evoluto considerevolmente nell'ultimo secolo, da macchine isolate al web mondiale, e forse 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.
Entanglement quantistico visualizzato. Credito: Discovery News
Basandosi sul presupposto che l'umanità non sia un valore anomalo, ma rappresentativo della norma (alias il Principio Copernicano) è logico presumere che un ETI avanzato avrebbe già creato una tale rete. Basato sulla ricerca dell'umanità sulle comunicazioni quantistiche, Hippke quattro possibili metodi. Il primo è la 'codifica della 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, in cui un segnale viene codificato alternando un numero discreto 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 tardivo, o la codifica dello stato coerente della luce, in cui la luce viene compressa in ampiezza o in fase per simulare un codice binario.
Sicurezza e supremazia
Tra i molti vantaggi che le comunicazioni quantistiche presenterebbero per una specie tecnologicamente avanzata, Gate-Keeping è particolarmente interessante per le implicazioni che potrebbe avere per SETI. Dopotutto, la disparità tra ciò che assumiamo sia la probabilità statistica di vita intelligente nel nostro Universo e la mancanza di prove per essa (ovvero il paradosso di Fermi) reclama spiegazioni. Come dice Hippke:
“ETI può scegliere deliberatamente 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 tramite 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 con una sezione così piccola, un CET sarebbe in grado di comunicare solo con specie altrettanto avanzate. Tuttavia, ha osservato Hippke, questo rende anche virtualmente impossibile rilevare coppie di neutrini entangled. Per questo motivo, i fotoni entangled non solo fornirebbero il gate-keeping, ma sarebbero anche rilevabili da coloro che sono destinati a riceverli.
Allo stesso modo, la comunicazione quantistica è preferibile anche per la sicurezza che consente, che è uno dei motivi principali per cui la tecnologia viene sviluppata qui sulla Terra. La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) consente a due parti di produrre una chiave condivisa che può essere utilizzata per crittografare e decrittografare i messaggi segreti. In teoria, questo porterà a una nuova era in cui le comunicazioni e i database crittografati saranno immuni agli attacchi informatici convenzionali.
Inoltre, QKD ha il vantaggio unico di consentire alle due parti di rilevare una potenziale terza parte che tenta di intercettare i loro messaggi. Sulla base della meccanica quantistica, qualsiasi tentativo di misurare un sistema quantistico farà collassare la funzione d'onda di qualsiasi particella entangled. Ciò produrrà anomalie rilevabili nel sistema, che invieranno immediatamente bandiere rosse. Ha detto Hippke:
“Non sappiamo se ETI apprezzi la comunicazione interstellare sicura, ma è certamente uno strumento utile per le civiltà espansive che consistono in azioni, come l'umanità di oggi. Pertanto, è plausibile che i futuri umani (o ETI) abbiano il desiderio di implementare una rete interstellare sicura”.
Un altro grande vantaggio dell'informatica quantistica è la sua capacità di risolvere i problemi esponenzialmente più velocemente delle sue controparti digitali, quella che è nota come 'supremazia quantistica'. Il classico esempio è Algoritmo di Shor , un algoritmo quantistico in tempo polinomiale per la fattorizzazione di numeri interi che un computer convenzionale impiegherebbe anni per risolvere, ma un computer quantistico potrebbe rompersi in pochi secondi.
Entanglement quantistico visualizzato. Credito: Dipartimento di Fisica, HKUST
Nell'informatica tradizionale, la crittografia a chiave pubblica (come il Crittografia RSA-2048 ) utilizza funzioni matematiche che sono molto difficili e richiedono tempo da calcolare. Dato che possono ospitare un numero esponenzialmente maggiore di funzioni, si stima che un computer quantistico potrebbe decifrare la stessa crittografia in una decina di secondi.
Ultimo, ma non meno importante, c'è la maggiore efficienza delle informazioni sui fotoni (PIE) offerta dalle comunicazioni quantistiche sui canali classici, misurata in bit per fotone. Secondo Hippke, le comunicazioni quantistiche miglioreranno la valutazione dell'efficienza bit per fotone fino a un terzo. A questo proposito, il desiderio di trasmissioni di dati più efficienti renderà l'adozione di una rete quantistica una sorta di inevitabilità.
'Al contrario, i canali classici sono energeticamente dispendiosi, perché non utilizzano tutte le opzioni di codifica delle informazioni per fotone', scrive. “Un vantaggio quantico di ordine 1/3 non sembra molto, ma perché sprecarlo? È logico supporre che ETI preferisca trasmettere più informazioni piuttosto che meno, per unità di energia”.
Sfide
Naturalmente, nessun pitch relativo a SETI sarebbe completo senza menzionare le possibili sfide. Per cominciare, c'è la questione della decoerenza, in cui l'energia (e quindi l'informazione) viene persa nell'ambiente di fondo. Per quanto riguarda le trasmissioni attraverso lo spazio interstellare, i problemi principali sono la distanza, gli elettroni liberi (vento solare), la polvere interplanetaria e le nubi interstellari di polvere e gas a bassa densità.
'Come linea di base, la distanza più grande su cui sono stati eseguiti con successo esperimenti di entanglement ottico sulla Terra è di 144 km', osserva Hippke. Poiché la densità di massa dell'atmosfera terrestre è di 1,2 kg m-3, questo significa che un segnale che passa attraverso una colonna di 144 km (~90 mi) di lunghezza ha a che fare con una densità di colonna di 1,728×105kgm-2. Al contrario, la densità della colonna tra la Terra e la stella più vicina (Proxima Centauri) è di otto ordini di grandezza inferiore (3×10-8kgm-2).
Un altro problema è il ritardo imposto da un Universo relativistico, il che significa che i messaggi anche ai sistemi stellari più vicini richiederebbero anni. Di conseguenza, il calcolo quantistico è qualcosa che verrà eseguito localmente per la maggior parte e solo i qubit condensati verranno trasmessi tra i nodi di comunicazione. Con questo in mente, ci sono alcune indicazioni che l'umanità potrebbe essere alla ricerca nei prossimi anni.
Cosa cercare?
A seconda del metodo utilizzato per trasmettere le informazioni quantistiche, risulteranno determinate firme che i ricercatori SETI potrebbero identificare. Al momento, le strutture SETI che conducono osservazioni nello spettro della luce visibile non sono attrezzate per ricevere comunicazioni quantistiche (poiché la tecnologia non esiste ancora). Tuttavia, sono attrezzati per rilevare fotoni, ottenere spettri ed eseguire esperimenti di polarizzazione.
In quanto tali, sostiene Hippke, sarebbero in grado di rilevare potenziali segnali dal rumore di fondo dello spazio. Questo è simile a cosa Professor Lubin suggerito in un documento del 2016 (“ La ricerca dell'intelligenza diretta '), in cui sosteneva che i segnali ottici (laser) utilizzati per la propulsione o le comunicazioni a energia diretta avrebbero comportato 'spillover' occasionali rilevabili.
Allo stesso modo, i fotoni 'errati' potrebbero essere raccolti dagli osservatori e misurati per i segni di codifica utilizzando varie tecniche (comprese quelle identificate nello studio). Un possibile metodo consigliato da Hippke è l'interferometria di lunga durata, in cui più strumenti monitorano l'ampiezza e la fase dei campi elettromagnetici nello spazio nel tempo e li confrontano con una linea di base per discernere la presenza di codifica.
Tuttavia, una cosa è da tenere in considerazione: se ascoltando le comunicazioni quantistiche ETI, ciò non causerà la perdita di informazioni? E se così fosse, l'ETI in questione non si sarebbe accorto che stavamo ascoltando? Supponendo che non fossero a conoscenza di noi prima, lo sarebbero sicuramente dopo che tutto questo è successo! Si potrebbe concludere che sarebbe meglio non origliare le conversazioni di specie più avanzate!
Ma questa è una domanda per un altro giorno e un altro argomento fertile di dibattito (vedi Oltre il paradosso di Fermi: l'ipotesi della “foresta oscura” ).
Ulteriori letture: arXiv