Законы квантовой физики отдают мистикой, и порой сами учёные признаются, что не до конца понимают их. Представьте, например, что перед вами две пустых коробки и в одну из них вы кладёте шар. С этого момента одна коробка будет с шаром, а вторая — по-прежнему пустая. Это понятно и годовалому ребёнку, не так ли? Но в квантовом мире вы с удивлением обнаружите, что это простенькое правило не работает. Ваш шар будет одновременно лежать в обеих коробках! На языке науки это называется «суперпозицией».
О том, для чего учёным непременно нужно в этом разобраться, какую пользу квантовый компьютер принесёт пенсионерке Марье Петровне и почему для государства это вопрос национальной безопасности, aif.ru поговорил с сооснователем Российского квантового центра, кандидатом физ.-мат. наук Русланом Юнусовым.
Решит задачу, на которую требуются тысячелетия
Дмитрий Писаренко, aif.ru: Руслан, как уместить в голове этот чёртов шар, который одновременно лежит в двух коробках? Неужели в природе такое возможно?
Руслан Юнусов: В микромире, в масштабах атомов и субатомных частиц — да. Мы привыкли думать, что электрон вращается вокруг ядра атома, а ведь на самом деле он не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра.
Квантовая физика потому и появилась, что классическая не могла объяснить некоторые явления в микромире. В конце ХIХ века учёным казалось, что почти все задачи физики решены, и тут Макс Планк сел решать одну из тех, что оставались нерешёнными. Это была задача об излучении абсолютно чёрного тела. У Планка тоже ничего не получалось, пока он не допустил, что излучение идёт небольшими порциями — квантами, как он их назвал. Тогда задача решилась, а из его гипотезы в начале ХХ века развилась новая концепция, которая превратилась в квантовую физику.
Без неё невозможно разобраться, как устроена природа. А устроена она совсем не так, как мы видим. В нашем повседневном опыте нет такого явления, как суперпозиция (шар может лежать только в одной коробке), но это не значит, что его нет в природе.
— С трудом верится, что попытки разобраться в этой головоломке могут принести практическую пользу.
— Давайте посмотрим на историю науки. Пока учёные пытались разобраться, как устроено то или иное явление, у них параллельно возникали всякие интересные и полезные вещи: паровая машина, электрогенератор, атомная энергия. Всё это — побочные продукты процесса познания окружающего мира. С квантовой физикой будет то же самое.
Впрочем, почему будет? Уже есть. Компьютеры, без которых мы не мыслим нашей жизни, да и вся IT-индустрия — это результат первой квантовой революции. В начале ХХ века зародилась квантовая физика, а в его середине появились такие её мощные приложения, как лазер и транзисторы. Потом на транзисторах (полупроводниках) были сделаны первые компьютеры.
Что дальше? Привычные нам компьютеры работают на битах — единицах информации, которые могут принимать лишь одно из двух значений, «0» или «1». А квантовые компьютеры работают на кубитах, которые одновременно могут становиться и нулём, и единицей. Это многократно увеличивает вычислительную мощность и позволяет решать новый класс задач, которые не под силу не только классическим компьютерам, но даже суперкомпьютерам. Квантовый процессор всего за несколько минут решит ту задачу, на которую обычному понадобятся не то что годы — тысячелетия!
Сенсор в моей голове
— Это, конечно, звучит впечатляюще, но какой профит от квантового компьютера получит пенсионерка Марья Петровна из Рязанской области?
— Она будет лечиться лекарствами, разработанными с помощью квантового компьютера: он произведёт вычисления на огромных массивах данных и найдёт молекулу нужного вещества против конкретной (возможно, ранее неизлечимой) болезни. Он оптимизирует множество процессов, которые улучшат её жизнь — например, движение транспорта в городе. Сын Марьи Петровны будет возить её на автомобиле, сделанном из новых материалов, о которых мы пока даже представления не имеем. Эти материалы будут легче и прочнее, они ускорят ход автомобиля, а их химические формулы также будут найдены в результате вычислений на квантовом компьютере.
— Я думал, вы скажете, что пенсионерка сможет одновременно смотреть по телевизору и «Поле чудес», и программу Малахова, и ещё сериал какой-нибудь — как та самая квантовая частица в суперпозиции.
— Отличная мысль, почему нет? Но только для этого ей надо будет вживить в мозг квантовый сенсор.
— О боже! Это ещё зачем?
— Это следующий шаг в технологическом развитии цивилизации, когда мы соединим достижения в квантовых технологиях с достижениями биологии и других наук о жизни. Сейчас много делается в этом направлении, создаются так называемые нейроинтерфейсы, учёные пытаются сочленять живое с неживым. Например, Илон Маск разрабатывает нейрочипы, которые позволят управлять электронными устройствами силой мыли, и подобных проектов очень много по всему миру. Мы тоже такие работы ведём.
Чтобы эффективно передавать команды от мозга к компьютеру, нужно научиться взаимодействовать с большим количеством нейронов и при этом — с каждым нейроном отдельно. Пока это не слишком хорошо получается, и тут надежда как раз на квантовые технологии. Созданные на их основе сенсоры позволят общаться с нейронами точечно.
— Вы хотите сказать, что в будущем у каждого человека в голове будет квантовый компьютер?
— Нет. Чтобы пользоваться квантовыми вычислениями, вам необязательно иметь квантовый компьютер. Уже сейчас обработка информации зачастую идёт в облачных сервисах. Когда вы открываете в смартфоне навигатор и задаёте ему точку прибытия, маршрут рассчитывает не смартфон, а компьютер в «облаке». Вы направили запрос — получили ответ.
Также будет с квантовыми вычислениями. Они будут производиться в «облаке», а вы будете отправлять туда запросы через свой нейроинтерфейс, оснащённый квантовыми сенсорами.
Тогда это сделают другие и продадут нам
— Знаете, я не могу отделаться от мысли, что все эти чипы в голове, нейроинтерфейсы — какая-то прихоть избалованного человечества, блажь и технологическая избыточность. Уже сейчас люди устали от интернета, многие от этого бегут, есть запрос на цифровой детокс. У простого человека нет никакого желания вставлять в голову сенсор, тем более квантовый. Почему вы думаете, что это будет иметь успех?
— Можно этого не хотеть, можно бояться, но это неизбежный процесс. Всего каких-то сто с небольшим лет назад некоторые люди точно так же опасались электричества и предпочитали жить при свечах. Что бы они сказали сейчас?
Или возьмём компьютеры. Мы ведь не можем представить, что сейчас вдруг откажемся от них и вернёмся к вычислениям на деревянных счётах? Они стали частью нашей жизни. Точно так же на следующем этапе развития цивилизации мы освоим нейроинтерфейсы «мозг-компьютер». Это не зависит от нашего желания. В разных областях науки уже разработаны инструменты и накоплены знания, которые в конце концов интегрируются и приведут к конкретному практическому результату.
Человек перестанет быть человеком в привычном нам смысле и станет немного киборгом. Это наделит его новыми суперспособностями. В том числе возможностью смотреть несколько телеканалов одновременно, о чём мечтает пенсионерка Марья Петровна.
— И когда это произойдёт?
— Горизонт, когда начнётся массовое использование квантовых вычислений для решения каких-то полезных задач — всего-навсего 10 лет. И чем дальше, тем больше они будут использоваться.
Если мы не будем этим заниматься, это сделают за нас другие, а потом будут продавать нам свои технологии. Или не продавать — в зависимости от их желания и политической обстановки. Если человек имеет право выбирать, жить ему в цивилизации или бежать от неё, спрятавшись в тайге, то страна в целом позволить себе такого не может. Это вопрос национальной безопасности, тем более что ещё одна область применения квантовых технологий, которую мы пока не упомянули, — это криптография. Такие системы связи и шифрования невозможно взломать.
Любое суверенное мощное государство обязано заниматься квантовыми разработками. Это как с ядерным оружием: если хочешь, чтобы с тобой считались, ты не можешь не иметь его в своём арсенале. Оно гарантирует твою безопасность.
Как наверстать упущенное
— Советская квантовая школа была одной из ведущих в мире. А где мы сейчас в этой области физики?
— В СССР был заложен большой фундамент, но в 1990-е мы сильно уступили позиции. Потом стали их возвращать: создаётся нужная инфраструктура, к нам приехали учёные, которые успели не только поработать за рубежом, но и сделать себе там имя. Это приносит результат.
В разработке квантового компьютера мы пока отстаём от иностранных коллег (в лидерах тут США и Китай, они уже 20 лет работают над этим). Но у нас есть понимание, как наверстать упущенное, и за последние три года мы совершили мощный рывок. Существует дорожная карта по квантовым вычислениям, где чётко прописаны все прикладные цели: в какой срок и с какими показателями должен быть построен квантовый компьютер.
К концу 2024 года мы должны получить различные вычислители мощностью от 50 до 100 кубит — для нас это серьёзный результат. К этому моменту мы ещё не будем лидерами в мире, но в отдельных направлениях начнём к ним подбираться. А в районе 2030 года намерены присоединиться к первому кругу. Мы будем конкурировать с ними, представляя те решения и готовые продукты, которых нет у них. Например, у нас есть точечные перспективные решения в области всё тех же квантовых сенсоров, и мы планируем наладить серийный выпуск этих устройств.
— А молодёжь, готовая работать на родине и приносить результат, есть?
— У нас сильнейшие молодые кадры, а российские студенты, которые обучаются квантовой физике, — одни из лучших в мире. Более того, нам удаётся, как я сказал, возвращать уехавших. В этом году был небольшой отток, но мы смогли убедить многих ребят, что их тревоги безосновательны и от первоначальных целей и задач никто не отказывается.
Мне лично интересно чувствовать себя человеком, который формирует новую индустрию и, таким образом, пишет историю своей страны. Хочется, чтобы государство, в котором ты живёшь, имело лучшую в мире науку и высокие технологии. И многие учёные мыслят также, уверяю вас.
И талантливые молодые ребята, и интересные идеи, и необходимая инфраструктура, и оборудование — всё у нас для этого есть.