Теоретики разрешили квантовую коммуникацию на межзвездных расстояниях

Британские теоретики подробно исследовали влияние межзвездной и околозвездной среды на возможность квантовых коммуникаций на столь далеких расстояниях и пришли к выводу, что такая связь возможна. Они показали, что лучше всего для этого подходит рентгеновское излучение, а сам квантовый сигнал может стать хорошим маркером разумной цивилизации. Исследование опубликовано в Physical Review D.

Электромагнитные волны и, в частности, свет – это самый быстрый из доступных человеку носителей сигнала. Линии связи радио- и оптического диапазонов стали основой для современных телекоммуникационных сетей, без которых невозможно представить современный интернет. Эта область техники стала настолько развитой и повсеместной, что появившиеся недавно стандарты квантовой коммуникации создаются с оглядкой на возможности уже существующих сетей.

Основной задачей квантовых коммуникаций стала передача квантовой информации (если конкретнее, квантовых состояний) на расстоянии. Одним из направлений в этой области стала квантовая криптография, основанная на распределении квантового ключа. Такие протоколы позволяют участникам коммуникации обнаруживать присутствие любого подслушивающего устройства, делая связь защищенной законами физики.

В основе квантовой коммуникации лежит явление запутанности. Она возникает между двумя и более объектами, если правильным образом настроить взаимодействие между ними, либо если они рождаются в паре. Второй способ наиболее популярен в технологиях, основанных на запутанных фотонах. Квантовая запутанность напрямую не зависит от расстояния, на которую разнесены частицы после создания корреляций между ними. Однако она постоянно подвергается воздействию окружающей среды, которое можно трактовать как измерение квантового состояния. В этом случае происходит коллапс квантовых состояний и частицы или объекты перестают быть связаны. Этот процесс называется декогеренцией. Шанс на декогеренцию тем больше, чем дольше существует многочастичное состояние, а значит, чем дольше пролетели квантовые частицы.

Физики постоянно ставят рекорды в дальности передачи запутанных фотонов. Для этого используется передача напрямую по воздуху, через оптоволокно, с помощью дронов и даже спутников. Последний способ оказался наиболее эффективным, поскольку космическое пространство менее «шумное», чем воздух или твердотельные материалы. Но насколько живуча окажется квантовая запутанность, если попытаться устанавливать квантовую коммуникацию на межзвездных масштабах? Ответ на этот вопрос нетривиален, поскольку влияние специфических астрофизических воздействий на вероятность декогеренции, включая гравитацию, еще крайне слабо исследована.

Ответить на этот вопрос решили двое теоретиков из Эдинбургского университета, Арджун Берера (Arjun Berera) и Хайме Кальдерон-Фигероа (Jaime Calderón-Figueroa). В своем исследовании ученые рассчитали эффекты декогеренции, вызванные множеством различных взаимодействий, которые фотоны испытывают при межзвездных путешествиях. Кроме того, они подробно разобрались, насколько даже неразрушенные запутанные фотоны, пойманные приемником, будут похожи на те, что испущены передатчиком, оценивая соответствующую степень совпадения (fidelity) состояний. Согласно выводам авторов, для квантовой коммуникации в межзвездной среде нет существенных преград.

В первую очередь авторы рассмотрели влияние гравитации на распространение запутанных фотонов с помощью концепции вращения Вигнера. Они показали, что в отличие от массивных частиц, для которых искривления будут вносить паразитные запутанности между спином и импульсом, безмассовые волновые пакеты будут лишь приобретать дополнительный набег фазы. Конечно, это будет затруднять интерпретацию сигнала из неизвестного источника, однако если путь фотонов известен, то расчет фазовых поправок поможет восстанавливать исходный квантовый сигнал. Физики показали, что такое восстановление возможно для фотонов, прошедших сквозь значительную часть Млечного пути.

Аналогичные соображения касаются и степени совпадений, которая может уменьшаться из-за эффектов теории относительности, в частности, из-за красного смещения. Последнее более выраженно для рентгеновских лучей, нежели для лучей оптического диапазона. Ученые, однако отметили, что потеря соответствия наиболее ярко выражена при посылании сигнала с поверхности Земли на орбиту, в то время как путешествие света на достаточном отдалении от массивных тел уменьшает эффект. В качестве примера они рассчитали потерю степени совпадений, которое возникнет для сигнала, отправленного с орбиты Проксимы Центавра b до орбиты Венеры. Учитывая Солнце как единственный источник гравитации, они показали, что ошибка составит всего 10 процентов.

Кроме гравитации потерю когерентности фотонов может вызывать множество взаимодействий в межзвездной и околозвездной среде. В первом случае речь идет о рассеянии на водороде, электронах и протонах, а также более тяжелых элементах. Кроме того, взаимодействие с реликтовым излучением посредством вакуумной нелинейности также возможно (это взаимодействие физики изучали ранее). Во втором – взаимодействия с солнечными частицами, галактическими космическими лучами и частицами из радиационных поясов.

Для каждого из этих факторов физики оценили длину свободного пробега фотонов. В большинстве случаев эта величина оказывалась больше размеров Млечного пути и даже наблюдаемой Вселенной. Наиболее существенным препятствием оказались области ионизированного водорода, в которых длина свободного пробега фотонов составила порядка сотен парсек. Другими потенциально разрушительными факторами стали газ и пыль со следами более тяжелых элементов, а также галактические магнитные поля. Оценки авторов показали, что рентгеновские лучи с энергией фотонов, меньшей, чем масса покоя электрона, помноженная на квадрат скорости света, будут к ним наименее восприимчивы.

Наконец, физики порассуждали о перспективах квантовой коммуникации в контексте общения с внеземными цивилизациями. Они отметили, что квантовый сигнал должен содержать две компоненты: классическую и неклассическую. Фотоны с неклассической статистикой не встречается в природе, а потому такой сигнал может стать достоверным доказательством разумности его отправителя. Ученые предположили, что состояния Белла – простейший пример квантовой запутанности – будут стандартом для любой развитой цивилизации. Вместе с тем расшифровка сигнала из-за эффектов потери степени совпадения потребует понимание того, откуда пришел свет и какой путь он преодолел. Наконец, для правильной интерпретации сигнала потребуется хорошая техническая база, которая в случае с фотонами рентгеновского диапазона только разрабатывается.

Стоит особо отметить, что квантовая коммуникация не означает мгновенного обмена сообщениями со скоростью, превышающей скорость света. О противоречии такой технологии известным законам физики мы рассказывали на примере квантовой коммуникации из вселенной Mass Effect в материале «Масса эффектов».

Марат Хамадеев