Ольга Волкова: физики начинают отсчет новой эры

Разговоры о новых технологиях, которые в недалеком будущем изменят мир, звучат в последнее время так часто, что сомнений не остается: человечество на пороге великих перемен. Правда, в какой сфере они случатся и как скоро, единого мнения нет. Фантасты предрекают прорыв в области возобновляемой энергии и пришествие телепортации. Серьезные ученые и бизнес связывают надежды с квантовым компьютером, который уже получил прописку в новостных лентах и породил дебаты о неизбежной чуть ли не завтра "квантовой экономике". Скептики, впрочем, в такую перспективу не верят, утверждая, что будущее уже "растворено" в современности и надо просто суметь его увидеть. "Огонек" познакомился с разными взглядами

Ольга Волкова

С начала 2000-х, когда в квантовой физике был сделан ряд принципиальных открытий, десятки научных лабораторий стали участниками настоящей гонки — миру стал позарез нужен квантовый компьютер. Зачем? Чтобы обрабатывать огромные массивы данных, шифровать информацию, защищать связь, да мало ли еще на что может сгодиться технология, потенциальную эффективность которой сегодня даже оценить трудно!

Как выглядит призрак

Квантовая гонка в разгаре, и ее участникам пока не до фантазий и не до объяснений с непосвященными: ведущие физики мира буквально повернуты на производстве кубитов, точнее — на разработке тех наименьших элементов, которые позволят хранить и обрабатывать информацию в квантовом мегакомпьютере. Имена игроков впечатляют: Microsoft, IBM, Google, NASA — вот те наседки, что высиживают многокубитные золотые яйца.

Впрочем, о главном преимуществе квантового монстра осведомлены даже те, кто понятия не имеет, как он работает — речь идет о возможности одновременной обработки необъятно огромного количества информации. Ожидается, что он, в частности, сможет рассчитать оптимальную траекторию движения летающего объекта при большом количестве помех, диагностировать на ранних сроках смертельно опасную болезнь, построить сверхточный автопилот, просчитать, в конце концов, есть ли жизнь на Марсе, а заодно — и во всей остальной Вселенной. Говоря по-простому, квантовые физики грозят человечеству новой эрой. Впрочем, не только человечеству — не исключено, что именно квантовый компьютер сделает возможным создание искусственного интеллекта.

От идеи до внедрения

О концепции квантового компьютера мир услышал впервые в 1960-х от аспиранта Колумбийского университета Стивена Визнера, ныне давно профессора. Он предложил создать "квантовые деньги": вмонтировать в каждую банкноту "световые ловушки", которые бы удерживали фотоны света. Информация о том, какой "рисунок из фотонов" нанесен на банкноту, должна была храниться в банке и обеспечивать беспрецедентную защиту купюр от подделки. Современникам идея Визнера показалась бредовой. Лишь в 1981-м Нобелевский лауреат и один из создателей атомной бомбы Ричард Фейнман предложил внятную модель квантового компьютера. Он настаивал, что квантовые процессы необходимо рассчитывать на квантовых же устройствах. Однако до сих пор такого устройства не было. Первые реальные "устройства" — однокубитные квантовые процессоры — появились уже на рубеже XXI века, зато сразу в нескольких научных лабораториях. Сегодня эту основу основ будущего квантового компьютера совершенствуют и пытаются объединять друг с другом.

Основная проблема в создании и применении квантовых компьютеров проста и обидна до банальности — это ошибки. Дело в том, что квантовая система очень уязвима. Внешние воздействия, даже звонок мобильного телефона, могут разрушить или исказить ее показания. Поэтому квантовый процессор приходится максимально изолировать — над созданием кубитов работают в так называемых чистых помещениях, где контролируются все параметры, включая количество микроорганизмов в воздухе. Столь высокая степень защиты должна свести квантовые ошибки к минимуму: только тогда новый компьютер окажется работоспособным. Не исключено, кстати, что основная мощность квантового компьютера и будет направлена на устранение этих ошибок. Но и оставшихся нескольких процентов мощности, как убеждают фанаты квантовой идеи, хватит на решение сверхзадач.

Что представляет сегодня работа над квантовым компьютером? "Огонек" поговорил об этом с заведующим лабораторией сверхпроводящих метаматериалов НИТУ "МИСиС", профессором Технологического института Карлсруэ и руководителем группы "Сверхпроводящие квантовые цепи" Российского квантового центра Алексеем Устиновым.

Важная деталь: именно под его руководством в Российском квантовом центре в тесном сотрудничестве с группой профессора Олега Астафьева в 2015-м был создан первый российский кубит. Профессор Устинов с радостью показывает его образец под микроскопом и объясняет, что в лаборатории МИСиС научились комбинировать до 20 таких кубитов — неплохой результат для проекта, которому всего четыре года.

Разговор без помех

Наш разговор происходит в лаборатории, которая наполнена гулом и щелчками приборов. Здесь же стоят холодильники, в которых проходят опыты с кубитами, резервуары охлаждающего жидкого гелия, стойки с компьютерами (пока обычными) — все как в фильмах про будущее. Вход в двухуровневую "чистую комнату" светится желтым светом — это нужно при работе с фоточувствительными полимерами, использующимися для изготовления кубитов. При создании кубитов контролируются все параметры, включая количество пылинок в воздухе.

Едва ли не каждый день (и это не красивая фраза) в лаборатории происходят открытия. К примеру, накануне нашего разговора аспиранты Устинова впервые в РФ сделали не только частотные, но и временные измерения состояния кубита — это большой шаг к тому, чтобы манипулировать кубитами для квантовых вычислений. По мнению профессора Устинова, квантовые технологии получат самое обширное практическое применение уже в ближайшее время.

— Алексей Валентинович, давайте начнем с простого: что такое квантовый компьютер?

— В обычном компьютере все данные представлены в особых единицах — битах, представляющих комбинации нолей и единичек. Бит ограничен двумя состояниями — единица или ноль, все. А в квантовом мире возможно наложение двух состояний, ноль и единица существуют одновременно, это позволяет делать вычисления принципиально новым образом. Квантовый бит можно представить как стрелку, которая может вращаться в произвольном направлении, и состояний получается уже не два, а множество. Поэтому квантовые вычисления можно представить себе как параллельные выполнения задач со многими числами.

— И это позволяет увеличить скорость вычислений?

— Как раз нет! Вычислять можно медленно, но если производить операции одновременно с огромным количеством данных, то эффективность работы увеличивается в миллионы раз, это даже трудно измерить в числах, потому что фактически количество состояний бесконечно. Квантовый компьютер позволит решать задачи, которые требуют одновременного перебора многих-многих данных. Например, нужно взять очень большое число и разложить его на простые множители. На обычном компьютере это можно сделать только перебором, что, к примеру, для 400-значного числа займет примерно 10¹⁰ лет (это время приблизительно равно возрасту Вселенной.— "О"). Квантовый компьютер справится за три года.

— А как поможет ваш мегакомпьютер в решении более насущных задач?

— Есть, например, задачи по созданию новых сложных материалов, свойства которых мы могли бы моделировать, используя искусственно сделанные квантовые метаматериалы. С их помощью мы, вероятно, сможем даже синтезировать материалы со сверхпроводимостью при комнатной температуре! Это пока мечта, никто не смог подобное сделать. Квантовые технологии открывают много перспектив для нужд атомной энергетики. Есть важная задача искусственного фотосинтеза, которой занимается компания Microsoft, финансирующая исследования по квантовым вычислениям. Нам всем необходим фотосинтез для того, чтобы выращивать продукты питания. Этот природный феномен хорошо изучен, но рукотворной альтернативы ему не существует. С помощью квантового компьютера можно природу "подменить": разработать процесс, который позволит химикам самим осуществлять реакцию фотосинтеза. Сегодня существуют реальные многомиллионные программы финансирования таких исследований в мире.

— А в жизни простого человека? Способны ли квантовые чудеса ее радикально изменить?

— Квантовый компьютер, конечно, не то устройство, которое найдет применение в каждом домашнем хозяйстве. Но вот, к примеру, одна из насущных задач, которая ему вполне по плечу,— это минимизация затрат, скажем, для абстрактного коммивояжера. Скажем, у этого торговца очень много клиентов, которые разделены определенными расстояниями, каждый маршрут связан с расходами, есть некая приоритетность — один хочет получить товар быстрее, заплатив больше, другому это неважно. Есть много всяких условий, которые нужно одновременно выполнить, сделав при этом посещение огромного числа клиентов максимально быстрым и минимально затратным. Если клиентов очень много, то такую задачу на обычном компьютере решить очень сложно, так как нужно перебирать огромное количество разных комбинаций, параметров. А квантовый компьютер выполнит эту задачу очень быстро, потому что он выполняет вычисления со всеми этими параметрами одновременно. Это задача оптимизации.

— Чем занимаются ваши лаборатории в России?

— Мы изучаем физику квантовых систем на основе сверхпроводников. Сверхпроводники — это такие материалы, которые не имеют электрического сопротивления, в них все электроны находятся в одном состоянии. Эти свойства известны более ста лет, но многие вещи, очень важные для продвижения квантовой физики, стали поняты только в начале 2000-х. Только недавно выяснилось, что квантовая механика, наука о "поведении" микрочастиц, применима и для больших объектов. Сначала это было похоже на чертовщину. Но сверхпроводники позволили делать квантовые системы, которые можно потрогать руками, которые имеют вполне осязаемый размер — миллиметр или даже сантиметр. В 2015 году мы впервые в России создали квантовый бит — кубит. Это носитель информации, некая логическая единица квантовой технологии.

— Что он представляет собой физически, как выглядит?

— У нас это тонкое алюминиевое плоское кольцо, напыленное на полупроводниковую подложку. В кольце есть разрывы — джозефсоновские переходы — в несколько нанометров, это базовый элемент сверхпроводящей электроники. Разрывы заполнены прослойкой диэлектрика (оксидом алюминия). Вот через эти разрывы и протекает сверхпроводящий ток. Сверхпроводимость обеспечивается охлаждением до очень низких температур, это делается с помощью жидкого гелия. В нашем кубите при приложении определенного магнитного поля существуют два равновероятностных состояния — они имеют одинаковую энергию, одинаково выгодны энергетически для всей системы. Эти состояния соответствуют незатухающему сверхпроводящему току, текущему по кольцу по часовой и против часовой стрелки. Комбинации этих состояний и есть ноль и единица, которые фактически существуют одновременно.

— Одно дело создать такую систему, другое — заставить ее работать. Насколько вы сейчас можете контролировать квантовые процессы?

— Очень хороший вопрос! Квантовые системы очень чуткие, любое измерение влияет на их состояние. Время квантовой жизни больших объектов было предметом споров — предполагалось, что оно очень короткое. И тут как раз на помощь пришли сверхпроводники, которыми мы занимаемся. За последние 15 лет со сверхпроводниками произошла революция. Время жизни квантового состояния в сверхпроводящих устройствах было увеличено в миллион раз. Это колоссальный прогресс.

— За счет чего он произошел?

— Оказалось, что потеря квантовых состояний связана с микроскопическими дефектами в материалах. Тогда научились изготавливать эти устройства из материалов, не имеющих в себе дефектов. Это одна сторона. С другой стороны, оказалось, что можно делать квантовые устройства разными способами. Сейчас стало понятно, как делать их лучше.

— Кто держит лавры первенства?

— Первые измерения со сверхпроводящими кубитами были сделаны в Японии при участии нашего российского ученого Юрия Пашкина. В том эксперименте было впервые измерено квантовое время жизни таких больших объектов. Вслед за этим появились другие группы — сейчас их в мире около 20. Лидируют, скорее, американцы. В Европе есть сильная группа в Париже, Делфтский университет в Голландии, есть Чалмерс, университет в Швеции. Россия пока не очень конкурентна. Пока мы только построили лабораторию в МИСиС, получив мегагрант от правительства, появились новые лаборатории в Российском квантовом центре и в Московском физико-техническом институте, которые вместе создают экспериментальную базу для серьезных исследований. Естественно, мы не собираемся повторять ошибки предшественников, и следующий наш шаг должен вести дальше. Сейчас мы, пожалуй, единственные в мире делаем эксперименты с массивами до 20 кубитов, изучаем их свойства. Но это не означает, что мы уже делаем с ними квантовые вычисления. Этим занимается несколько групп в Америке, в частности компания IBM, компания Google, Йельский университет, Университет Калифорнии в Санта-Барбаре. Это лидирующие группы, которые пошли по пути создания так называемого универсального квантового компьютера.

— Вы уверены, что универсальный квантовый компьютер все-таки будет построен?

— Конечно!

— А на какие сроки можно ориентироваться?

— Ну вот квантовые симуляторы уже работают.

— Что это такое?

— Кроме универсального квантового компьютера есть еще другие типы устройства, которые называют квантовыми симуляторами. Симулятор не требует ежесекундного контроля состояния отдельных компонентов. Его контролируют как единую систему, в начальном и в промежуточных состояниях. Не нужно управлять каждым болтиком на каждом шагу, система сама это делает. Это немного похоже на разницу между цифровыми компьютерами и аналоговыми. Единственная компания, которая уже сейчас продает квантовые компьютеры-симуляторы,— канадская D-Wave systems. Google, купивший квантовый симулятор D-Wave, несколько недель назад сообщил, что они произвели выполнение алгоритма так называемого квантового отжига (особый алгоритм вычислений — "О"), сравнили его с классическим алгоритмом неквантового отжига и получили выигрыш в... миллиард раз.

— Надо ли понимать так: если все с квантовыми новациями "срастется", то возникнет новая отрасль знаний и технологий, скорость развития которой будет колоссальной, а отдача — трудно представимой? Если да, то, получается, человечество вот-вот заглянет за горизонт, где будущее уже наступило...

— Для меня — точно наступило. Если бы шесть лет назад мне задали вопрос, будет ли когда-нибудь сделан квантовый процессор, я бы усмехнулся и пожал плечами — мне казалось это очень трудным. А сейчас... Я люблю фразу: "Глаза боятся, а руки делают". То, что произошло за последние несколько лет, удивительно! Буквально на глазах у нас возникла новая область — quantum engineering, это уже не физики, а инженеры, которые умеют на основе наших открытий делать реально работающие квантовые устройства.