Объяснить на квантах: как квантовые технологии изменят науку будущего

— Квантовые технологии считаются одной из передовых областей науки. Чем они отличаются от классических?

— Самое важное, что нужно понимать: квантовые технологии основаны на принципах квантовой механики — это раздел квантовой физики, описывающий поведение материи на микроскопическом уровне. В квантовом мире мы изучаем поведение частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Например, поток частиц света — фотонов.

В отличие от классической физики, квантовые системы действуют по другим законам. Например, они могут находиться в суперпозиции нескольких состояний одновременно. Это один из основополагающих принципов, который делает квантовые вычисления намного мощнее и быстрее классических. Почему? Представьте: в классических вычислениях бит может принимать только два значения: это либо ноль, либо единица. Но если мы переходим в квантовый мир, то физическая система может быть в разных состояниях одновременно, то есть в какой-то момент времени у нас может быть состояние и ноль, и единица. Благодаря этому свойству, образно говоря, можно проводить множество вычислений параллельно, а не последовательно. Хотя такую формулировку (параллельные вычисления) ученые не очень любят, поскольку на самом деле все намного сложнее. Но для представления в общих чертах так можно сказать.

Другое ключевое свойство квантовых систем: квантовая запутанность. Это некоторая «связь» между частицами, которые могут находиться на любом расстоянии и при этом друг друга «чувствовать». Допустим, если два квантовых объекта запутаны, то знания о вероятности состояния одного объекта позволят нам оценить вероятность, в каком состоянии сейчас находится вторая частица.

— Много говорят о том, что квантовые компьютеры изменят мир. Например, с их помощью можно создавать лекарства и новые материалы, решать задачи в промышленности и энергетике. Неужели с этим не справится самый мощный обычный компьютер?

— Дело в том, что квантовые компьютеры умеют решать определенные классы задач, с которыми классические устройства плохо справляются. Например, моделировать сложные химические молекулы. Или искать закономерности в больших объемах данных, что полезно для медицины, логистики, финансовой и экономической сферы. Это не значит, что обычный компьютер не способен решать подобные задачи. Но он будет делать это очень долго.

Допустим, перед нами стоит задача: разложить число на простые множители. У обычного компьютера на это могут уйти миллиарды лет. А квантовый просчитывает все быстро. В отличие от классического компьютера, квантовые платформы используют не обычные биты, а их квантовые аналоги — кубиты (англ. quantum bit — квантовые биты). Если обычный бит может принимать значение нуля или единицы, кубит может находиться в вышеупомянутой суперпозиции. Например, два кубита могут кодировать сразу четыре состояния: 00, 01, 10 и 11. То есть два кубита могут одновременно принимать четыре значения. С каждым добавленным кубитом вычислительная мощность растет по экспоненте. Количество возможных состояний рассчитывается по формуле 2N (два в степени N), где N — это количество кубитов. Так, всего 10 кубитов будут иметь пространство состояний — 1024.

Но вообще, мне кажется, ученые пока сами не до конца понимают, для каких еще задач квантовый компьютер может быть полезен. Ясно одно: эти задачи точно будут связаны с оптимизацией многих процессов, что, в свою очередь, сделает квантовые вычисления полезными для экономики.

— Как квантовые вычисления могут помочь в медицине?

— Одно из самых перспективных применений связано с моделированием молекул. Квантовые компьютеры могут рассчитывать квантовые свойства сложных систем, что обычным устройствам не под силу. Благодаря таким исследованиям можно предсказывать свойства новых материалов или лекарств до их синтеза. А также оптимизировать химические реакции, искать новые катализаторы и сверхпроводники. Кстати, 20-21 февраля в Москве пройдет Форум будущих технологий, на котором как раз будут обсуждать применение квантовых технологий, прежде всего, в задачах химии и для создания новых материалов.

Кроме того, квантовые вычисления могут применяться для более эффективного распределения ресурсов. Например, в логистике, для составления расписания движения транспорта, управления трафиком или энергосетями.

— Значит ли это, что в будущем квантовые компьютеры заменят сегодняшние технологии?

— Нет, квантовые компьютеры не заменят существующие вычислительные устройства. Скорее, они дополнят их возможности. У нас уже есть компьютеры и мобильные телефоны, которые хорошо справляются со многими задачами. Нам не нужно их заменять на квантовые компьютеры, которые когда-нибудь тоже станут такого же небольшого размера. Однако появление миниатюрных квантовых вычислителей вовсе не будет означать, что мы должны отказаться от текущих эффективных технологий. Квантовый компьютер — это не универсальное устройство, а мощное средство для решения определенного класса вычислительных задач.

— Есть еще какие-нибудь популярные заблуждения, связанные с квантовыми технологиями?

— Возможно, у кого-то может сложиться впечатление, что квантовые эффекты, о которых мы говорили, происходят только на микроуровне. Но это не так. Хотя они более выражены у отдельных частиц, эти явления можно наблюдать в макроскопических системах, например в сверхпроводниках или лазерах.

Еще хочу подчеркнуть, что квантовая запутанность и суперпозиция — это не какие-то мистические явления, а реальные физические эффекты, подтвержденные экспериментами. Понятно, что пример с котом Шредингера, который одновременно жив и мертв — это мысленный эксперимент. Но подтвердить на практике, что система может находиться в двух состояниях одновременно, ученым уже неоднократно удавалось.

— Считается, что квантовые технологии изменят сферу безопасности информации. Почему?

— Квантовые вычисления открывают возможности как для защиты, так и взлома шифров. Квантовые компьютеры потенциально могут взламывать популярные криптографические протоколы, основанные на факторизации больших чисел. Это связано с тем, что квантовые вычисления позволяют быстро разлагать большие числа на простые множители, что является ахиллесовой пятой многих криптографических протоколов. Что это такое? Сейчас объясню. Ранее мы говорили о разложении больших чисел на простые. Возьмем число 21. Мы можем быстро понять, из каких простых множителей оно состоит, поскольку со школьной скамьи знаем, что семь умножить на три равно 21. Но если речь идет о разложении на простые числа, скажем, числа 9185400, то здесь будет сложно посчитать уже и компьютеру. Он будет долго перебирать простые числа, а вот квантовый справится с задачей быстро.

В ответ на эту угрозу активно развивается направление постквантовой криптографии. Это новые криптографические алгоритмы, которые устойчивы к атакам со стороны квантовых компьютеров. Они основаны на других математических проблемах, которые нельзя эффективно решить даже на квантовых вычислителях. 

С другой стороны, квантовые технологии открывают новые возможности для защиты данных. Например, квантовое распределение ключей позволяет создавать абсолютно защищенные каналы связи, в которых любая попытка перехвата информации будет мгновенно обнаружена. Ее можно заметить по изменению квантовых состояний фотонов внутри оптоволокна, по которому все передается.

Точно так же с помощью квантовых технологий можно создавать генераторы по-настоящему случайных чисел и таким образом создавать абсолютно новые виды шифра. Это уже задача со звездочкой. Возможно, вы когда-нибудь пользовались онлайн-генераторами случайных чисел. На самом деле числа в них не случайные: в эти программы вшиты алгоритмы, которым они следуют. Наш мозг тоже не очень хороший генератор случайных чисел. Если я попрошу вас назвать любое число, наверняка окажется, что с ним связана какая-нибудь ассоциация. Надежные генераторы случайных чисел имеют важное значение для криптографии, моделирования, игр и многих других приложений, где требуется высокий уровень случайности и непредсказуемости.

Поэтому с математической точки зрения создать действительно случайное число очень сложно. Но квантовые компьютеры с этим справляются. Такие технологии разрабатывают по всему миру, в том числе в России. Генераторы случайных чисел, в частности, создают в компании QRate, которая берет начало в стенах РКЦ.

— С какими трудностями сталкиваются специалисты в области квантовых вычислений?

— Основные трудности связаны с масштабированием и сохранением точности операций. То, как масштабировать квантовую систему, ученые уже придумали, но сохранять при этом точность операций внутри системы — задача сложная. И это верно для всех четырех платформ квантовых компьютеров, которые считаются в мире приоритетными и разрабатываются в том числе в России.

В числе других непростых задач: получение надежных кубитов, разработка эффективных алгоритмов, коррекция ошибок, создание интерфейсов между квантовыми и классическими системами. Кроме того, для работы некоторых устройств нужно поддерживать постоянную сверхнизкую температуру, близкую к абсолютному нулю. Это самый низкий теоретический показатель температуры, он соответствует — 273,15 °С.

Еще один вызов касается подготовки кадров. Как и в любой прогрессивной молодой области, здесь тоже очень ждут специалистов, в первую очередь, на стыке квантовой физики, информатики и инженерии. Сейчас в российских вузах есть много специальных программ обучения по этому направлению. Ряд программ удалось реализовать благодаря дорожной карте по квантовым вычислениям. Например, в РКЦ есть кафедры, запущенные совместно с Московским физико-техническим институтом. В целом, все условия для обучения созданы, нужно только дождаться, когда будущие специалисты освоят необходимые знания и навыки. На это уйдет еще порядка четырех лет.

— А если говорить о школьном образовании, какие здесь знания важны?

— Обязательно нужно изучать квантовую физику. Ее проходят в 11 классе. А также информатику и программирование. В качестве прикладной дисциплины я бы рекомендовала робототехнику. Если говорить об инженерном направлении, то для школьника важно хорошо знать геометрию, стереометрию и черчение. Последний предмет, кстати, в свое время мне очень помог. Черчение многие недооценивают в школе, однако оно развивает пространственное мышление в других областях. Зачем это нужно? Физика говорит на языке математики, для которой нужно хорошо владеть абстрактным мышлением.

— Вы занимаетесь разработкой квантовых алгоритмов и динамики многочастичных квантовых систем. В чем суть этих исследований?

— Квантовые алгоритмы — это алгоритмы, разработанные специально для квантовых компьютеров. Они построены на уже упомянутых принципах квантовой механики и оперируют кубитами. Их ключевое отличие от классических алгоритмов состоит в том, что они работают с амплитудами вероятности, а не конкретными значениями, к которым мы привыкли.

Этим проектом занимается наша научная группа в РКЦ. Мы не только разрабатываем новые алгоритмы, но и внедряем существующие, придуманные во времена, когда только возникла идея о квантовых компьютерах: на тот момент реализовать эти алгоритмы было невозможно, так как реальных устройств еще не было.

Второе направление, которым я занимаюсь — исследование динамики многочастичных квантовых систем. Это широкая область теоретических работ. Мы знаем, что состояние у квантовой системы постоянно меняется. Исследование этих изменений — фундаментальная задача, решение которой поможет в развитии квантовых вычислений.

— Как выглядит разработка квантовых алгоритмов?

— Наша группа занимается теоретическими исследованиями. Мы не экспериментаторы и не собираем квантовые компьютеры, чтобы посмотреть, как работает установка. Моя деятельность как физика-теоретика отличается от экспериментальной работы. Я работаю в офисе, а не в лаборатории. Но наша работа никогда не прекращается. Если есть компьютер, листок и ручка, можем работать из любого места. Мы изучаем исследования, обсуждаем идеи, строим графики — так постепенно решаем задачи.

— На каком этапе сейчас находятся ваши исследования?

— В настоящий момент наша исследовательская группа работает сразу по нескольким перспективным проектам в области квантовых технологий. Хотя наши исследования находятся на разных стадиях, уже есть ощутимые результаты.

Например, в прошлом году нам удалось внедрить и успешно запустить на квантовых платформах несколько квантовых алгоритмов. Это важный шаг, поскольку уже сейчас необходимо внедрять и тестировать квантовые алгоритмы на текущих квантовых устройствах.

Кроме того, исследователи из нашей теоретической группы предложили решение по созданию многоуровневых квантовых систем, так называемых кудитов. Это позволяет использовать сразу несколько квантовых состояний одного физического кубита для кодирования информации, что повышает вычислительную мощность квантовых систем. Эти разработки в итоге помогли создать 50-кубитный квантовый компьютер в прошлом году, что стало важным достижением для всей нашей страны и ученых РКЦ, в частности.

Это была действительно масштабная работа, объединившая теоретиков и экспериментаторов. «Железо» (ионный квантовый процессор) создавали сотрудники РКЦ и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). Разработка была бы невозможна без руководителя научной группы «Масштабируемые ионные квантовые вычисления» РКЦ Ильи Семерикова и его научного руководителя Николая Николаевича Колачевского, ныне директора ФИАН. Все разработки велись в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», реализацию которой координирует Госкорпорация «Росатом».

— Какие еще задачи хотелось бы решить? Что вас вдохновляет в этой научной области?

— В сфере квантовых технологий вообще интересно наблюдать, что происходит. Следить за тем, как «растут» квантовые компьютеры, насколько точные операции они совершают, сколько удалось получить кубитов. Сейчас много всего происходит в этой области, она очень активно развивается. В прошлом году завершилась дорожная карта по квантовым вычислениям, позволившая создать мощный задел для дальнейшего развития технологий в России. За последние пять лет наша страна шагнула далеко вперед в сфере квантовых технологий. С 2025 года стартует новая дорожная карта по квантовым вычислениям, рассчитанная на период до 2030 года. Одним из ее ключевых результатов должно стать практическое применение квантовых вычислений.

Что касается меня, я давно поняла, что я теоретик. Моя задача заключается в том, чтобы пытаться находить ответы на фундаментальные вопросы в физике. Я говорю «пытаться», потому что просто «находить» звучит громко. А вот положить свой маленький камушек на уже созданную гору, к возведению которой до тебя приложили руку знаменитые ученые, — это действительно вдохновляет. Поэтому в нашей работе решение даже самой маленькой, на первый взгляд, незначительной задачи неизбежно приведет к полезному результату. 

Беседовала Анна Шиховец