يمكننا الكشف عن الحضارات الغريبة من خلال اتصالاتهم الكمومية بين النجوم

منذ منتصف القرن العشرين ، كان العلماء يبحثون عن أدلة على وجود حياة ذكية خارج نظامنا الشمسي. في معظم ذلك الوقت ، اعتمد العلماء المنخرطون في البحث عن ذكاء خارج كوكب الأرض (SETI) على استطلاعات علم الفلك الراديوي للبحث عن علامات النشاط التكنولوجي (المعروف أيضًا باسم '. التوقيعات التقنية '). مع تم تأكيد 4375 كوكبًا خارجيًا (والعد!) من المتوقع بذل جهود أكبر في المستقبل القريب.

تحسبًا لهذه الجهود ، كان الباحثون يفكرون في التوقيعات التقنية المحتملة الأخرى التي يجب أن نكون على اطلاع عليها. وفق مايكل هيبك ، وهو عالم زائر في مركز أبحاث جامعة كاليفورنيا في بيركلي سيتي ، يجب أيضًا توسيع البحث ليشمل الاتصال الكمي. في عصر تقترب فيه الحوسبة الكمومية والتقنيات ذات الصلة من الثمار ، فمن المنطقي البحث عن علامات عليها في مكان آخر.

كان البحث عن التواقيع التقنية ، وما يشكل الواعدة منها ، موضوع اهتمام متجدد في السنوات الأخيرة. هذا يرجع في جزء كبير منه إلى حقيقة أن الآلاف من الكواكب الخارجية متاحة لدراسات المتابعة باستخدام تلسكوبات الجيل التالي التي سيتم تشغيلها في السنوات القادمة. مع هذه الأدوات التي تبحث عن الإبر في 'كومة القش الكونية' ، يحتاج علماء الأحياء الفلكية إلى معرفة ما الذي يبحثون عنه.

في سبتمبر 2018 ، ناسا استضافت ورشة التوقيعات التكنولوجية ، والذي تلاه إطلاق سراحهم تقرير التوقيع التكنولوجي . بحلول أغسطس من عام 2020 ، ناسا و معهد بلو ماربل برعاية اجتماع آخر - تكنو كليم 2020 - لمناقشة مفاهيم عمليات البحث المستقبلية التي قد تبحث عن بصمات تقنية تتجاوز إشارات الراديو المعتادة. بصفته شخصًا كرس حياته المهنية لـ SETI ، فإن Hippke لديه العديد من الأفكار التي يقدمها.

البحث حتى الآن

كما أشار في دراسته ، بدأت جهود بحث SETI الحديثة في عام 1959 عندما كان رائد مشروع SETI الشهير جوزيبي كوكوني & فيزيائي فيليب موريسون (كلاهما من جامعة كورنيل في ذلك الوقت) نشر بحثهما الأساسي ، ' البحث عن الاتصالات بين النجوم . ' في هذه الورقة ، أوصى Coccini و Morrison بالبحث عن علامات الحياة الذكية من خلال البحث عن إشارات النطاق الضيق في الطيف الراديوي.

تبع ذلك بعد ذلك بعامين R.N. شوارتز وسي. مدن معهد تحليلات الدفاع (المؤسسة الدولية للتنمية) في واشنطن العاصمة في ورقتهم ، ' الاتصال بين النجوم وبين الكواكب بواسطة الماسكات الضوئية ، 'اقترحوا أن النبضات الضوئية من ليزر الميكروويف يمكن أن تكون مؤشرا على ذكاء خارج الأرض (ETI) يرسل رسائل إلى الكون.

ولكن كما يشير Hippke ، بعد ستة عقود وأكثر من مائة برنامج بحث مخصص لاحقًا ، فإن الدراسات الاستقصائية التي بحثت عن هذه البصمات التقنية المعينة لم تسفر عن أي شيء ملموس. هذا لا يعني أن العلماء كانوا يبحثون عن التوقيعات الخاطئة حتى الآن ، ولكن قد يكون من المفيد التفكير في طرح شبكة أوسع. مثل Hippke شرح في ورقته:

'نحن نبحث (ويجب أن نستمر في البحث) عن انفجارات المنارات ذات النطاق الضيق ، على الرغم من أننا لم نعثر على أي انفجارات حتى الآن. في الوقت نفسه ، من الممكن توسيع نطاق بحثنا ... يُقال أحيانًا في أروقة أقسام علم الفلك أنه 'علينا فقط ضبط النطاق الصحيح' و- فويلا- سيتم توصيله بقناة الاتصال المجرية. '

صورة للمنطقة الوسطى من مجرة ​​درب التبانة Credit: UCLA SETI Group / Yuri Beletsky ، مرصد كارنيجي لاس كامباناس

ثورة الكم

في حين أن جميع محاولات إنشاء معالجات كمومية هي محاولات حديثة نسبيًا (تحدث منذ مطلع القرن) ، فإن المفهوم نفسه يعود إلى أوائل السبعينيات. في ذلك الوقت ، اقترح ستيفن وايزنر ، أستاذ الفيزياء بجامعة كولومبيا في ذلك الوقت ، إمكانية تشفير المعلومات بشكل آمن من خلال الاستفادة من مبدأ التراكب.

ينص هذا المبدأ على أن 'لف' الإلكترون ، وهي خاصية أساسية يمكن توجيهها 'لأعلى' أو 'لأسفل' ، غير محددة - بمعنى أنها يمكن أن تكون إما واحدة أو كليهما في وقت واحد. لذلك ، في حين أن الدوران لأعلى أو لأسفل يشبه الأصفار والأرقام الموجودة في الشفرة الثنائية ، فإن مبدأ التراكب يعني أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها إجراء عدد أكبر من العمليات الحسابية في أي وقت.

بالإضافة إلى القدرة على أداء المزيد من الوظائف ، يحدد Hippke أربعة أسباب محتملة وراء اختيار ETI للاتصالات الكمومية. وتشمل هذه 'حفظ البوابة' ، والتفوق الكمي ، وأمن المعلومات ، وكفاءة المعلومات. يكتب: 'إنهم مفضلون على الاتصالات الكلاسيكية فيما يتعلق بالأمن وكفاءة المعلومات ، وكانوا قد أفلتوا من الكشف في جميع عمليات البحث السابقة'.

تطور استخدام أجهزة الكمبيوتر بشكل كبير خلال القرن الماضي ، من آلات معزولة إلى شبكة الويب العالمية ، وربما إلى شبكة بين الكواكب في المستقبل. بالنظر إلى المستقبل ، يجادل هيبك بأنه ليس من المستبعد تصديق أن البشرية قد تعتمد على شبكة كمومية بين النجوم تمكن الحوسبة الكمومية الموزعة ونقل الكيوبتات عبر مسافات طويلة.

تصور التشابك الكمي. الائتمان: ديسكفري نيوز

استنادًا إلى افتراض أن الإنسانية ليست استثناءً ، ولكنها ممثلة للقاعدة (ويعرف أيضًا باسم مبدأ كوبرنيكان) ، فمن المنطقي أن نفترض أن مؤسسة التعليم والتدريب (ETI) المتقدمة كانت ستنشئ مثل هذه الشبكة بالفعل. استنادًا إلى أبحاث البشرية في الاتصالات الكمومية ، توصل هيبك إلى أربع طرق ممكنة. الأول هو 'ترميز الاستقطاب' ، والذي يعتمد على الاستقطاب الأفقي والرأسي للضوء لتمثيل البيانات.

تتضمن الطريقة الثانية 'حالة Fock' للفوتونات ، حيث يتم تشفير الإشارة بالتناوب بين عدد سري من الجسيمات والفراغ (على غرار الشفرة الثنائية). يتضمن الخياران المتبقيان إما ترميز حاوية الوقت - حيث يتم استخدام الوصول المبكر والمتأخر - أو حالة متماسكة من ترميز الضوء ، حيث يتم ضغط الضوء بسعة أو ضغط طور لمحاكاة رمز ثنائي.

الأمن والسيادة

من بين الفوائد العديدة التي ستقدمها الاتصالات الكمومية للأنواع المتقدمة تقنيًا ، يعد Gate-Keeping مثيرًا للاهتمام بشكل خاص بسبب الآثار التي قد تترتب على SETI. بعد كل شيء ، فإن التباين بين ما نفترضه هو الاحتمال الإحصائي للحياة الذكية في كوننا وعدم وجود دليل على ذلك (المعروف أيضًا باسم مفارقة فيرمي) يستدعي تفسيرات. كما يقول هيبك:

'قد تختار ETI عمدًا جعل الاتصالات غير مرئية للحضارات الأقل تقدمًا. ربما تشعر معظم الحضارات المتقدمة أو كلها بالحاجة إلى إبقاء 'القردة' خارج قناة المجرة ، والسماح للأعضاء فقط بالمشاركة فوق حد أدنى تكنولوجي معين. قد يعكس إتقان الاتصالات الكمومية هذا الحد '.

تم مناقشة فكرة الاتصال الكمي لأول مرة بواسطة Mieczyslaw Subotowicz ، أستاذ الفيزياء الفلكية في جامعة Maria Curie-Sklodowska في لوبلان (بولندا) ، في عام 1979. في ورقة بعنوان ' التواصل بين النجوم بواسطة أشعة النيوترينو ، 'جادل Subotowicz أن الصعوبات التي قدمتها هذه الطريقة ستكون نقطة بيع لحضارة خارج كوكب الأرض المتقدمة بما فيه الكفاية (ETC).

من خلال اختيار وسيلة اتصال بها مقطع عرضي صغير ، لن تتمكن ETC إلا من التواصل مع الأنواع المتقدمة المماثلة. ومع ذلك ، لاحظ هيبك أن هذا أيضًا يجعل من المستحيل تقريبًا اكتشاف أزواج متشابكة من النيوترينوات. لهذا السبب ، لن توفر الفوتونات المتشابكة حفظًا للبوابة فحسب ، بل ستكون أيضًا قابلة للاكتشاف من قبل أولئك الذين يستقبلونها.

وبالمثل ، يُفضل الاتصال الكمي أيضًا بسبب الأمان الذي يسمح به ، وهو أحد الأسباب الرئيسية لتطوير التكنولوجيا هنا على الأرض. يتيح توزيع المفتاح الكمي (QKD) لطرفين إنتاج مفتاح مشترك يمكن استخدامه لتشفير وفك تشفير الرسائل السرية. من الناحية النظرية ، سيؤدي هذا إلى حقبة جديدة تكون فيها الاتصالات وقواعد البيانات المشفرة محصنة ضد الهجمات الإلكترونية التقليدية.

بالإضافة إلى ذلك ، يتمتع QKD بميزة فريدة تتمثل في السماح للطرفين باكتشاف محاولة طرف ثالث محتمل لاعتراض رسائلهم. استنادًا إلى ميكانيكا الكم ، فإن أي محاولة لقياس نظام كمي ستؤدي إلى انهيار وظيفة الموجة لأي جسيمات متشابكة. سيؤدي هذا إلى ظهور حالات شاذة يمكن اكتشافها في النظام ، والتي من شأنها إرسال إشارات حمراء على الفور. قال هيبك:

'نحن لا نعرف ما إذا كانت ETI قيم التواصل الآمن بين النجوم ، لكنها بالتأكيد أداة مفيدة للحضارات التوسعية التي تتكون من أفعال ، مثل الإنسانية اليوم. لذلك ، من المعقول أن يكون لدى البشر المستقبليين (أو ETI) رغبة في تنفيذ شبكة آمنة بين النجوم '.

ميزة رئيسية أخرى للحوسبة الكمومية هي قدرتها على حل المشكلات بشكل أسرع من نظيراتها الرقمية - وهو ما يُعرف باسم 'التفوق الكمي'. المثال الكلاسيكي خوارزمية شور ، وهي خوارزمية كمومية متعددة الحدود لعوامل الأعداد الصحيحة التي قد يستغرق الكمبيوتر التقليدي سنوات لحلها ، لكن الكمبيوتر الكمومي يمكن أن يتصدع في ثوانٍ معدودة.

تصور التشابك الكمي. الائتمان: قسم الفيزياء ، HKUST

في الحوسبة التقليدية ، تشفير المفتاح العمومي (مثل تشفير RSA-2048 ) يستخدم وظائف رياضية يصعب حسابها وتستغرق وقتًا طويلاً. نظرًا لقدرتها على استيعاب عدد أكبر من الوظائف بشكل كبير ، فمن المقدر أن الكمبيوتر الكمي يمكنه كسر نفس التشفير في حوالي عشر ثوانٍ.

أخيرًا وليس آخرًا ، هناك كفاءة معلومات الفوتون الأكبر (PIE) التي تقدمها الاتصالات الكمومية عبر القنوات الكلاسيكية - تُقاس بالبتات لكل فوتون. وفقًا لـ Hippke ، ستعمل الاتصالات الكمومية على تحسين البتات في تصنيف كفاءة الفوتون بنسبة تصل إلى الثلث. في هذا الصدد ، فإن الرغبة في عمليات نقل بيانات أكثر كفاءة ستجعل اعتماد الشبكة الكمية أمرًا لا مفر منه.

كتب: 'بالعكس ، فإن القنوات الكلاسيكية تهدر طاقتها لأنها لا تستخدم جميع خيارات تشفير المعلومات لكل فوتون'. 'الميزة الكمية للطلب 1/3 لا تبدو كبيرة ، ولكن لماذا تضيعها؟ من المنطقي أن نفترض أن ETI تفضل نقل المزيد من المعلومات بدلاً من أقل ، لكل وحدة طاقة '.

التحديات

بالطبع ، لن يكتمل أي عرض ترويجي متعلق بـ SETI بدون ذكر التحديات المحتملة. بالنسبة للمبتدئين ، هناك مسألة فك الترابط ، حيث تُفقد الطاقة (وبالتالي المعلومات) في بيئة الخلفية. عندما يتعلق الأمر بالإرسال عبر الفضاء بين النجوم ، فإن القضايا الرئيسية هي المسافة ، والإلكترونات الحرة (الرياح الشمسية) ، والغبار بين الكواكب ، وسحب الغبار والغاز متوسطة الكثافة منخفضة الكثافة.

ويشير هيبك إلى أن 'كخط أساس ، فإن أكبر مسافة أجريت عبرها تجارب التشابك البصري الناجحة على الأرض هي 144 كيلومترًا'. حيث أن كثافة كتلة الغلاف الجوي للأرض تبلغ 1.2 كجم م^-3، هذا يعني أن الإشارة التي تمر عبر عمود بطول 144 كم (~ 90 ميل) كانت تتعامل مع كثافة عمود تبلغ 1.728 × 10⁵كجم م^-2. في المقابل ، فإن كثافة العمود بين الأرض وأقرب نجم (Proxima Centauri) أقل بثمانية مرات من حيث الحجم (3 × 10^-8كجم م^-2).

قضية أخرى هي التأخير الذي يفرضه الكون النسبي ، مما يعني أن الرسائل حتى أقرب أنظمة النجوم قد تستغرق سنوات. نتيجة لذلك ، فإن الحساب الكمي هو شيء سيتم إجراؤه محليًا في معظمه ، وسيتم نقل الكيوبتات المكثفة فقط بين عقد الاتصال. مع وضع هذا في الاعتبار ، هناك بعض المؤشرات التي يمكن أن تكون البشرية على اطلاع عليها في السنوات القادمة.

عن ماذا تبحث؟

اعتمادًا على الطريقة المستخدمة لنقل المعلومات الكمومية ، قد ينتج عن توقيعات معينة يمكن لباحثي SETI التعرف عليها. في الوقت الحالي ، مرافق SETI التي تجري عمليات رصد في طيف الضوء المرئي غير مجهزة لتلقي الاتصالات الكمومية (نظرًا لعدم وجود التكنولوجيا بعد). ومع ذلك ، فهي مجهزة لاكتشاف الفوتونات والحصول على الأطياف وإجراء تجارب الاستقطاب.

على هذا النحو ، كما يقول هيبك ، سيكونون قادرين على استنباط الإشارات المحتملة من ضوضاء الخلفية في الفضاء. هذا مشابه لما البروفيسور لوبين مقترح في ورقة عام 2016 (' البحث عن الاستخبارات الموجهة ') ، حيث جادل بأن الإشارات الضوئية (الليزر) المستخدمة للدفع أو الاتصالات ذات الطاقة الموجهة ستؤدي إلى' انتشار 'عرضي يمكن اكتشافه.

وبنفس الطريقة تقريبًا ، يمكن جمع الفوتونات 'الضالة' بواسطة المراصد وقياسها بحثًا عن علامات الترميز باستخدام تقنيات مختلفة (بما في ذلك تلك المحددة في الدراسة). إحدى الطرق الممكنة التي يوصي بها Hippke هي قياس التداخل طويل الأمد ، حيث تقوم أدوات متعددة بمراقبة اتساع وطور المجالات الكهرومغناطيسية في الفضاء بمرور الوقت ومقارنتها بخط الأساس لتمييز وجود التشفير.

هناك شيء واحد يجب أن يؤخذ في الاعتبار: إذا كان الاستماع إلى اتصالات ETI الكمومية ، ألن يتسبب ذلك في ضياع المعلومات؟ وإذا كان الأمر كذلك ، فهل لا تدرك ETI المعنية أننا نستمع إليها؟ على افتراض أنهم لم يكونوا على علم بنا من قبل ، فمن المؤكد أنهم سيكونون بعد كل هذا قد حدث! قد يستنتج المرء أنه سيكون من الأفضل عدم التنصت على محادثات الأنواع الأكثر تقدمًا!

لكن هذا سؤال ليوم آخر وموضوع آخر خصب للنقاش (انظر ما وراء مفارقة فيرمي: فرضية 'الغابة المظلمة' ).

قراءة متعمقة: arXiv