«Самые значимые достижения науки»: физик — о квантовых технологиях и об их практическом применении

— Ровно 125 лет назад вышло учение Макса Планка о квантовой механике. Напомните, пожалуйста, историю этого открытия и правда ли, что Планк долго сам не верил в существование атомов?

— Планк начал свою научную карьеру с изучения термодинамики, в частности энтропии, — показателя «беспорядка» системы и числа возможных микроскопических состояний, а также термодинамики. Он не опускался на микроуровень, уровень атомов и элементарных частиц, рассматривая физические системы как целое. Хотя на тот момент уже были подобные работы, например движение отдельных атомов исследовал современник Планка австрийский физик Людвиг Больцман. 

Но настоящий прорыв произошёл при изучении излучения абсолютно чёрного тела — так называют физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой энергия может принимать только дискретные значения, то есть испускаться в виде квантов — конечных элементов. Сам учёный и его коллеги сначала не придали этой гипотезе большого значения — она воспринималась ими как вспомогательный математический приём. Но именно она легла в основу квантовой физики. 

Поэтому 14 декабря 1900 года, когда на заседании Немецкого физического общества Планк объяснил свою формулу с помощью идеи дискретности энергии, считается днём рождения квантовой физики. 

• Max Planck
• Gettyimages.ru
• © Oxford Science Archive / Print Collector

— Одним из ключевых принципов квантовой механики является суперпозиция — способность квантового объекта одновременно находиться в нескольких состояниях. Расскажите, пожалуйста, простым языком, как это происходит и почему это так важно для развития квантовых компьютеров?

— Суть этого принципа в том, что если квантовая система может находиться, например, в двух состояниях, то допустима и их линейная комбинация, которая и называется суперпозицией. В этом году, кстати, круглая дата отмечается и у термина «кубит» — единицы квантовой информации, которую в 1995 году ввёл в употребление американский физик Бен Шумахер. 

Классический бит можно объяснить аналогией с монетой, лежащей либо орлом (0), либо решкой (1) вверх. Кубит же — монета, вращающаяся в воздухе: он одновременно и орёл, и решка, пока не произойдёт измерение. При измерении кубит всегда выдаёт либо 0, либо 1 с определённой вероятностью.

Именно суперпозиция позволяет квантовым компьютерам обрабатывать огромные объёмы информации параллельно. На сегодняшний день кубиты реализуют с помощью сверхпроводников, ионов, атомов и фотонов. Все эти платформы активно развиваются в рамках российской дорожной карты квантовых вычислений под руководством «Росатома».

— Другое удивительное явление — квантовая запутанность, когда два объекта связываются так, что изменение состояния одного мгновенно отражается на другом, даже если они находятся на большом расстоянии. На этом феномене основана «квантовая телепортация». Как она происходит и есть ли у неё практические применения?

— Давайте представим два кубита. Если бы это были классические биты, у них было бы четыре состояния: 00, 01, 10 и 11. Но два кубита могут находиться в суперпозиции этих четырёх состояний одновременно.

И здесь особый интерес представляет так называемое запутанное состояние, например состояние Белла. Суть запутанности в том, что измерения двух кубитов коррелированы: измерив первый, мы сразу узнаём состояние второго.

Эти корреляции привлекали внимание учёных ещё со времени публикации знаменитой работы Эйнштейна, Подольского и Розена, в которой впервые обсуждались подобные состояния. Почти 100 лет спустя, в 2022 году, Нобелевскую премию по физике получили Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике. Эти исследования играют ключевую роль в квантовой телепортации.

• Gettyimages.ru
• © MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY

— Расскажите подробнее, чем ещё квантовый компьютер отличается от обычного и какие задачи он может решать сегодня?

— На самом деле квантовый компьютер решает всего три типа задач, но именно они чаще всего недоступны обычным процессорам.

Первый тип — моделирование квантовых систем. Тут всё просто: чтобы эффективно моделировать квантовые системы, нужен инструмент, работающий по тем же квантовым законам.

Второй — неструктурированный поиск, или, проще говоря, поиск иголки в стогу сена. По разным оценкам, около 70% всех данных в мире не структурированы. Классическому компьютеру найти нужную информацию в таком массиве сложно. Например, представим, что нам нужно отыскать карточку в библиотечном шкафу с сотней ящиков. Классическому процессору придётся открыть около 50 ящиков, а квантовому — всего десять. Это существенная экономия времени.

Третий тип — разложение чисел на простые множители. Современная криптография основана на том, что перемножить два больших числа легко, а разложить на множители — сложно. Однако квантовый компьютер может легко справиться с этой задачей. С помощью алгоритма Шора он решит её буквально за пару десятков часов. Правда, чтобы взломать современные протоколы, нужны ещё более мощные машины, чем существуют сегодня.

Но что квантовые компьютеры уже умеют делать? Учёные решают первые тестовые задачи: тот же неструктурированный поиск, то же разложение небольших чисел на простые множители. Кроме того, решены оптимизационные задачи для логистики и задачи квантовой химии, например моделирование трёхатомных молекул, а также реализованы гибридные квантово-классические алгоритмы машинного обучения.

• Gettyimages.ru
• © Bartlomiej Wroblewski

— Квантовая механика лежит в основе квантовых компьютеров, но это далеко не единственная технология. Какие области науки, техники или повседневной жизни используют квантовые эффекты?

— Классический пример применения квантовых эффектов — лазеры. Ведь сегодня они повсюду — от промышленных резаков и автофокусировки камер до сканеров штрих-кодов и лазерной хирургии.

Другой пример — полупроводники. Именно квантовая механика объяснила их свойства, и в первой половине XX века появились первые полупроводниковые транзисторы. Благодаря своей миниатюрности они стали основным элементом современной электроники, без которой мы уже не можем представить нашу повседневную жизнь.

— Учитывая новые открытия, какие перспективы открываются перед учёными? Есть ли квантовые эффекты, которые сегодня кажутся фантастикой, но могут стать реальностью в ближайшее время? 

— На самом деле сейчас квантовые технологии постепенно выходят из лабораторий. Подобное уже происходило в XX веке, когда фундаментальные открытия в квантовой физике со временем привели к созданию лазеров и полупроводниковых транзисторов, о которых я говорила.

Сегодня накоплен огромный объём знаний о квантовых вычислениях, коммуникации и сенсорах, реализуются пилотные проекты. По моему мнению, в ближайшие десятилетия самые значимые достижения науки будут связаны с практическим применением квантовых технологий.