Парадокс Ферми 2.0: квантовая связь — причина молчания инопланетян?

Парадокс Ферми, сформулированный физиком Энрико Ферми в середине XX века, продолжает интриговать ученых и любителей науки. Суть парадокса заключается в противоречии между высокой вероятностью существования внеземных цивилизаций, учитывая огромные размеры и возраст Вселенной, и отсутствием каких-либо наблюдаемых следов их деятельности. В настоящее время поиск внеземного разума (SETI) преимущественно ориентирован на обнаружение классических сигналов — радиоволн или световых импульсов, несущих закодированную информацию. Однако физик Лэтем Бойл из Эдинбургского университета и Института теоретической физики Периметр выдвинул новую гипотезу, связывающую парадокс Ферми с потенциальным использованием внеземными цивилизациями квантовых коммуникаций.

В своей работе, опубликованной в августе 2024 года на препринт-сервере arXiv.org, Бойл впервые детально исследует возможность межзвездной квантовой связи и анализирует квантовую емкость такого канала передачи информации. Он обращает внимание, что для реализации квантовой связи недостаточно одного лишь сохранения когерентности фотонов-кубитов, что, как было установлено ранее, возможно даже на межгалактических расстояниях. Ключевым фактором, определяющим возможность передачи квантовой информации, является квантовая емкость канала, которая, в свою очередь, накладывает жесткие ограничения на размер используемых телескопов.

Бойл рассматривает два типа квантовых каналов: канал с квантовым стиранием и деполяризующий канал. В первом случае фотон-кубит с определенной вероятностью может быть «стерт», то есть заменен на состояние, ортогональное обоим базисным состояниям кубита, что приводит к потере информации. Во втором случае кубит с определенной вероятностью переходит в случайное состояние, что также затрудняет передачу информации. Анализ этих каналов показывает, что для обеспечения ненулевой квантовой емкости межзвездного канала связи диаметр передающего и принимающего телескопов должен быть не меньше, чем корень квадратный из произведения длины волны фотона на расстояние до получателя.

Для иллюстрации Бойл приводит пример связи с ближайшей к нам звездой — Проксима Центавра, удаленной от нас на расстояние примерно 4,24 световых года. Если использовать для связи фотоны видимого света с длиной волны около 320 нм, то для обеспечения ненулевой квантовой емкости потребуются телескопы диаметром более 100 километров! Такие размеры кажутся фантастическими с точки зрения современных технологий, однако, по мнению Бойла, создание подобных телескопов в будущем вполне реально. Это может быть система из множества небольших телескопов, объединенных в единую сеть с помощью оптической интерферометрии, технологии, которая уже сегодня позволяет объединять телескопы, разнесенные на сотни метров.

В чем же принципиальное отличие квантовой связи от классической, объясняющее столь жесткие требования к размеру телескопов? Дело в том, что в классической связи достаточно зарегистрировать хотя бы небольшую часть излученных фотонов, чтобы принять сигнал. В квантовой же связи необходимо, чтобы подавляющее большинство фотонов попало в принимающий телескоп, иначе информация будет безвозвратно потеряна. Это связано с фундаментальными принципами квантовой механики, такими как принцип неопределенности и теорема о запрете клонирования.

И здесь мы подходим к самому интересному — к новой интерпретации парадокса Ферми. Бойл предполагает, что любая цивилизация, освоившая квантовые коммуникации, обладает достаточно мощными телескопами, чтобы не только передавать информацию, но и вести наблюдения за другими звездными системами. Обнаружив планету с зарождающейся жизнью, такая цивилизация, прежде чем отправлять сигналы, сначала убедится, что на этой планете есть телескопы, способные принять квантовое сообщение. Не обнаружив телескопов нужного размера, цивилизация, скорее всего, воздержится от попыток связи.

Таким образом, молчание космоса, возможно, объясняется не отсутствием других цивилизаций, а тем, что мы пока не достигли необходимого технологического уровня. Возможно, нам стоит сосредоточить усилия не только на прослушивании космоса, но и на разработке технологий квантовой связи и создании гигантских телескопов, которые позволят нам стать полноправными участниками межзвездной квантовой сети. Гипотеза Бойла открывает новое, увлекательное направление в поиске внеземного разума и заставляет по-новому взглянуть на парадокс Ферми.