Desde meados do século 20, os cientistas têm procurado evidências de vida inteligente além do nosso sistema solar. Por muito tempo, cientistas que estão engajados na busca por inteligência extraterrestre (SETI) têm contado com pesquisas de radioastronomia para procurar por sinais de atividade tecnológica (também conhecidas como "tecnossignaturas"). Com 4, 375 exoplanetas confirmados (e aumentando!) Esforços ainda maiores são esperados em um futuro próximo.

Em antecipação a esses esforços, os pesquisadores têm considerado outras possíveis tecnossinaturas que devemos estar atentos. De acordo com Michael Hippke, um pesquisador visitante no Centro de Pesquisa SETI da UC Berkeley, a pesquisa também deve ser expandida para incluir a comunicação quântica. Em uma época em que a computação quântica e tecnologias relacionadas estão se aproximando do sucesso, faz sentido procurar sinais deles em outro lugar.

A busca por tecnossignaturas, e o que constitui os mais promissores, tem sido objeto de interesse renovado nos últimos anos. Isso se deve em grande parte ao fato de que milhares de exoplanetas estão disponíveis para estudos de acompanhamento usando os telescópios de próxima geração que estarão operacionais nos próximos anos. Com esses instrumentos em busca de agulhas no "palheiro cósmico, "os astrobiólogos precisam ter uma ideia clara do que procurar.

Em setembro de 2018, A NASA sediou um workshop de assinaturas tecnológicas, que foi seguido pelo lançamento de seu Relatório de Technosignature. Em agosto de 2020, A NASA e o Blue Marble Institute patrocinaram outra reunião - Technoclimes 2020 - para discutir conceitos para pesquisas futuras que procurariam por technosignatures além dos sinais de rádio usuais. Como alguém que dedicou sua vida profissional ao SETI, Hippke tem muitos insights a oferecer.

A busca até agora

Como ele observou em seu estudo, os esforços modernos do SETI começaram em 1959 quando o famoso pioneiro do SETI Giuseppe Cocconi e o físico Philip Morrison (ambos da Cornell University na época) publicaram seu artigo original, "Procurando Comunicações Interestelares." Nesse artigo, Coccini e Morrison recomendaram a busca de sinais de vida inteligente procurando sinais de banda estreita no espectro de rádio.

Dois anos depois, R.N. Schwartz e C.H. Townes do Instituto de Análise de Defesa (IDA) em Washington D.C. Em seu artigo, "Comunicação interestelar e interplanetária por mestre óptico, “Eles propuseram que os pulsos ópticos de lasers de micro-ondas poderiam ser uma indicação de inteligência extraterrestre (ETI) enviando mensagens para o cosmos.

Mas, como observa Hippke, seis décadas e mais de cem programas de pesquisa dedicados depois, pesquisas que procuraram por essas tecnossinaturas específicas não produziram nada de concreto. Isso não quer dizer que os cientistas tenham procurado as assinaturas erradas até agora, mas que pode ser útil considerar lançar uma rede mais ampla. Como Hippke explicou em seu artigo:

"Estamos procurando (e devemos continuar procurando) por explosões de faróis de banda estreita, embora não tenhamos encontrado nenhum ainda. Ao mesmo tempo, é possível expandir nossa busca ... Às vezes é argumentado nos corredores dos departamentos de astronomia que 'apenas temos que sintonizar na banda certa' e - voilà - estaremos conectados ao canal de comunicação galáctica. "

Uma revolução quântica

Embora virtualmente todas as tentativas de criar processadores quânticos sejam relativamente recentes (ocorrendo desde a virada do século), o próprio conceito remonta ao início dos anos 1970. Foi nessa época que Stephen Weisner, um professor de física na Universidade de Columbia na época, propôs que a informação poderia ser codificada com segurança, tirando proveito do princípio da sobreposição.

Este princípio estabelece o "spin" de um elétron, uma propriedade fundamental que pode ser orientada "para cima" ou "para baixo, "é indeterminado - o que significa que pode ser um ou ambos simultaneamente. Portanto, embora um giro para cima ou para baixo seja semelhante aos zeros e uns do código binário, o princípio da superposição significa que os computadores quânticos podem realizar um número exponencialmente maior de cálculos a qualquer momento.

Além da capacidade de realizar mais funções, Hippke identifica quatro razões possíveis pelas quais uma ETI optaria por comunicações quânticas. Isso inclui "porteiro, "supremacia quântica, segurança da informação, e eficiência da informação. "Eles são preferidos às comunicações clássicas no que diz respeito à segurança e eficiência da informação, e eles teriam escapado da detecção em todas as pesquisas anteriores, " ele escreve."

O uso de computadores evoluiu consideravelmente ao longo do século passado, de máquinas isoladas para a rede mundial, e possivelmente para uma rede interplanetária no futuro. Olhando para o futuro, Hippke argumenta que não é exagero acreditar que a humanidade pode vir a contar com uma rede quântica interestelar que permite a computação quântica distribuída e a transmissão de qubits por longas distâncias.

Com base no pressuposto de que a humanidade não é uma exceção, mas representativo da norma (também conhecido como Princípio de Copérnico), é lógico supor que uma ETI avançada já teria criado essa rede. Com base na pesquisa da humanidade em comunicações quânticas, Hippke quatro métodos possíveis. O primeiro é a "codificação de polarização, "que se baseia na polarização horizontal e vertical da luz para representar os dados.

O segundo método envolve o "estado Fock" dos fótons, onde um sinal é codificado pela alternância entre um número discreto de partículas e vácuo (semelhante ao código binário). As duas opções restantes envolvem codificação de bin de tempo - onde a chegada antecipada e tardia é usada - ou estado coerente de codificação de luz, onde a luz é comprimida em amplitude ou em fase para simular um código binário.

Segurança e Supremacia

Dos muitos benefícios que as comunicações quânticas apresentariam para uma espécie tecnologicamente avançada, A manutenção de portas é especialmente interessante por causa das implicações que pode ter para o SETI. Afinal, a disparidade entre o que assumimos é a probabilidade estatística de vida inteligente em nosso Universo e a falta de evidências para isso (também conhecido como o Paradoxo de Fermi) clama por explicações. Como disse Hippke:

"A ETI pode escolher deliberadamente tornar as comunicações invisíveis para civilizações menos avançadas. Talvez a maioria ou todas as civilizações avançadas sintam a necessidade de manter os" macacos "fora do canal galáctico, e permitir que os membros participem apenas acima de um determinado mínimo tecnológico. Dominar as comunicações quânticas pode refletir esse limite. "

A ideia de comunicação quântica foi discutida pela primeira vez por Mieczyslaw Subotowicz, professor de astrofísica na Universidade Maria Curie-Sklodowska em Lublin (Polônia), 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. Contudo, Hippke noted, this also makes it virtually impossible to detect entangled pairs of neutrinos. Por esta razão, entangled photons would not only provide for gate-keeping, but they would also be detectable by those meant to receive them.

De forma similar, 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. Em teoria, this will lead to a new era where encrypted communications and databases are immune to conventional cyber attacks.

Além disso, 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. Portanto, 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.

Último, mas não menos 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. 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."

Desafios

Claro, no SETI-related pitch would be complete without mentioning the possible challenges. Para iniciantes, 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 . Em contraste, 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. Como resultado, quantum computation is something that will be performed locally for the most part, and only condensed qubits will be transmitted between communication nodes. Com isso em mente, 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. Atualmente, SETI facilities that conduct observations in the visible light spectrum are not equipped to receive quantum communications (since the technology does not exist yet). Contudo, they are equipped to detect photons, obtain spectra, and perform polarization experiments.

Como tal, 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!