Доктор наук — о квантовых компьютерах и второй технологической революции

Как устроен квантовый компьютер, а также чем квантовый телефон отличается от обычного и насколько защищённым будет квантовый банковский код, в интервью RT рассказал доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники, научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Сергей Кулик. Также он определил принципы работы вычислительных систем будущего и заявил о наступлении второй технологической революции. — Сергей Павлович, как будет устроен квантовый компьютер? — Он будет совершенно не похож на те устройства, к которым люди привыкли в виде лэптопов, стационарных блоков, модулей. Это, скорее, будет сопроцессор к вычислительному ядру классического компьютера. — То есть это будет комбинированное решение? — Да, потому что многое из того, что составляет физическую суть квантового компьютера, — «железо». Это лазеры, источники питания. Данным оборудованием будет управлять классический компьютер. В нём будут крутиться данные, которые загружаются в квантовый компьютер и извлекаются из него. Все они будут обрабатываться суперкомпьютером. — Можно ли сказать, что квантовые компьютеры в области вычислений произведут такую же технологическую революцию, какую в своё время совершили кремниевые устройства? — Безусловно, вторая квантовая революция уже наступила, мы в ней живём, потому что квантовые компьютеры уже есть. Они просто очень небольшие и не показывают того превосходства, которого мы от них хотим. Но это реальные физические приборы, к которым можно даже обратиться онлайн. — Квантовый компьютер предназначен не для бытового использования, а для решения спецзадач? — Речь идёт о задачах оптимизации. Есть алгоритмы, которые будут гораздо более эффективно решаться с помощью квантовых вычислительных устройств. К сожалению, даже учёные не могут сформулировать многие из этих задач. Поэтому потребуются обоюдные усилия со стороны научного сообщества и потенциальных заказчиков, которым необходимы вычислительные мощности таких порядков. Очевидно, что в них нуждаются медицина, оборонная сфера и ряд других областей. — Как квантовый компьютер выглядит в реальности, как он устроен? — Сейчас примерно десять совершенно разных физических моделей претендуют на роль фундаментальной базы квантовых вычислений. Они могут работать на основе фотонных чипов, это могут быть нейтральные атомы в ловушках, ионы в ловушках, сверхпроводящие кубиты (наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере. — RT), полупроводниковые устройства. Всё это — принципиально разные модели, которые требуют разного «железа» и управления. Например, компьютер на основе сверхпроводящих кубитов — это большой криостат. В данном случае используется криогенная техника со всеми сопутствующими устройствами. Для его работы необходимо вакуумное оборудование, а также огромный «бидон», напичканный проводами с охлаждаемыми вставками. При этом фотонные чипы выглядят совершенно по-другому. Это некая матрица, на которой буквально нарисованы с помощью разных оптических и литографических технологий световоды, которые пересекаются, расходятся, образуя сложные интерферометры. Свет в виде квантовых состояний распространяется по ним и доходит до выхода в том виде, как это нужно, чтобы решить ту или иную задачу. — То есть пока наука не пришла к одному оптимальному варианту? — Из десяти вариантов три-четыре сейчас в лидерах, но они постоянно меняются. — Недавно стало известно, что учёным в МГТУ имени Н.Э. Баумана удалось продлить жизнь кубита на уровне 50 микросекунд. Что это значит? Такая система может работать только ограниченное время? — В этом заключается специфика квантовых систем. Есть такое понятие, как время жизни, или, если говорить в физических терминах, время декогеренции, в течение которого можно работать с кубитом, реализованным на какой-то физической модели. Если мы хотим совершить большое количество операций с помощью кубитов, то нужно, чтобы их время жизни было как можно дольше. У каждой физической модели своё время жизни. У сверхпровордящих кубитов, о которых вы спросили, оно очень короткое. Для них 50 микросекунд — это большой рекорд, впечатляющая цифра. В другой модели, с которой мы работаем, — нейтральные атомы в ловушках — атомы, на основе которых реализуется кубит, живут на несколько порядков дольше — миллисекунды. Их время жизни можно довести даже до секунд. Те или иные модели имеют свои недостатки и преимущества. — Над какой моделью идёт работа в Центре квантовых технологий физического факультета МГУ? — Мы работаем с атомами рубидия-87. Атом помещается в высоковакуумную камеру. Она выглядит внешне как труба с окошками, вокруг которой размещены четыре пары катушек индуктивности. Три из них компенсируют магнитное поле Земли, ещё одна применяется в процессе охлаждения. Также в процессе используются три пары противоположно направленных пучков лазерного излучения, настроенных на определённую частоту, с которой мы работаем. Это называется лазерным охлаждением. Если говорить предельно упрощённо, то эта система лазерных пучков удерживает атом долгое время. Это также позволяет нам производить манипуляции с электроном этого атома. Именно отдельный электрон атома рубидия в этой системе и является тем самым кубитом, базовым элементом квантового компьютера. — Сейчас тема искусственного интеллекта уже не является областью научной фантастики, о ней говорят даже на государственном уровне. Сможет ли квантовая технология помочь учёным продвинуться в создании искусственного интеллекта? — Спорный вопрос. Есть точка зрения, что искусственный интеллект во многом опирается на те квантовые алгоритмы, которые используются в квантовых вычислениях. Я бы не стал прямо связывать эти две технологии, но есть множество тенденций, которые показывают, что, наверное, они близки. Хотя говорить более предметно пока рано. — О квантовых технологиях известно достаточно давно, но к их разработке все страны приступили относительно недавно. Что останавливало учёных раньше — например, в 90-е годы? — Я бы разделил этот вопрос на несколько частей. Во-первых, квантовые явления в науке известны давно — открытия Макса Планка были сделаны в начале прошлого века. Первые устройства, которые были построены целиком на принципах квантовой механики, тоже известны очень давно. Например, если взять атомную или термоядерную бомбу — это чисто квантовый эффект. Или стандарты частоты, которые существуют уже несколько десятков лет. То, что сейчас в современном мире понимают под квантовыми технологиями — это совсем другое. Условно критерием первого и второго квантового скачка является сам объект. Если раньше это были целые ансамбли квантовых частиц, такие как атомная бомба, то сейчас люди научились манипулировать отдельными атомами, фотонами и ионами. Сегодня мы живём в эпоху бурного развития технологий, которые «приходят» в физические лаборатории. Нам становятся доступны такие приборы и инструменты, о которых мы не могли мечтать ещё десять лет назад. Благодаря этому технологическому скачку мы подошли ко второй квантовой революции. — Разработки квантовых технологий ведутся во многих странах — в США, Китае, России. Насколько велик вклад российской науки и учёных? — Квантовая оптика, из которой вышли современные квантовые технологии, создавалась именно в СССР. Давид Николаевич Клышко — основатель советской, российской школы квантовой оптики. На эффектах, которые он открыл, до сих пор живёт весь мир. Это такие «рабочие лошадки», которые сейчас непосредственно используются в таких экспериментах, как двухфотонное параметрическое рассеяние света, предсказанное им и зафиксированное здесь, на физическом факультете МГУ. В последние 5—7 лет у нас в стране финансируются отдельные проекты и целые группы проектов, в частности в области квантовых технологий, которые не дают нам отстать от мирового уровня. — Есть ли взаимодействие с иностранными коллегами? — Безусловно, международное сотрудничество играет большую роль. Мы стараемся отправлять своих студентов в лучшие зарубежные лаборатории, чтобы они набрались опыта. Но только для того, чтобы потом использовать эти знания у нас. — Где сейчас находится самая передовая школа в сфере квантовых технологий? — Если говорить о теории, то развитие идёт примерно равномерно, в США, Европе, в Юго-Восточной Азии в меньшей степени. Но в том, что касается технического воплощения, уклон идёт в сторону Китая и Юго-Восточной Азии. Там в эти области вкладываются очень большие средства — берутся зарубежные идеи из США, Европы и России и за счёт больших капиталовложений быстро воплощаются в жизнь. В КНР уже построены большие сети квантовых коммуникаций, запущен спутник, способный распределять квантовые ключи шифрования с орбиты по атмосферному каналу связи. — Центр квантовых технологий МГУ был создан относительно недавно по инициативе государства. Есть ли уже какие-то достижения? — Наш Центр молодой — ему всего полтора года. Сейчас в нём около 150 сотрудников работают по всем направлениям квантовых технологий. Особенно мы гордимся тем, что за короткий по научным меркам срок нам удалось продвинуться от лабораторных образцов до готового коммерческого продукта. Прежде всего это квантовый телефон и шифратор, который позволяет на основе распределения ключей шифровать большие объемы данных. Передача информации осуществляется по оптическому кабелю в оптическом диапазоне, а ключи вырабатываются по законам квантовой механики. — В чём принципиальное преимущество квантового телефона над обычной связью? — Прежде всего, это безопасность — такой телефон невозможно прослушать. Одна из больших областей новых технологий — квантовые коммуникации, которые способны обеспечить полную конфиденциальность общения. Используемые сегодня системы коммуникаций применяют в основном ассиметричное шифрование. Такие устройства работают и справляются с передачей данных, но их стойкость не доказана. В частности, с помощью квантового компьютера они могут быть взломаны. Чтобы избежать взлома, нужно пользоваться симметричным шифрованием — для этого постоянно требуются новые ключи. И это тоже входит в сферу квантовых технологий. — Как появление и распространение квантовых коммуникаций и компьютеров отразится на повседневной жизни людей? — Наверное, на бытовом уровне это будет не очень заметно, разве что пин-код банковской карты может стать гораздо более защищённым. Однако эти перемены сильно затронут силовые ведомства и банковскую систему. — Можно ли будет взломать квантовую систему при помощи квантового компьютера? — Системы квантовой криптографии нельзя будет взломать даже при помощи квантовых технологий — информация будет полностью защищена.