В рамках проекта «Где рождается наукоемкий бизнес?» эксперты ПостНауки рассказывают о перспективных исследовательских задачах, решение которых не только произведет научный и технологический прорыв, но и будет иметь заметный экономический эффект. О перспективах квантовых технологий и их будущем применении рассказывает кандидат физико-математических наук Алексей Акимов.
— Что такое квантовые технологии?
— Квантовые технологии — это попытка ученых использовать необычные свойства частиц, чтобы создать полезное устройство. Некоторые знают, что сквозь стену пройти нельзя, но квантовые частицы об этом не знают, и они умеют проходить сквозь стены. Это явление называется туннелированием. К примеру, флэш-память. Внутри есть затвор, который ни к чему не подключен, и частицы проходят сквозь барьер. Это оказывается довольно полезным и эффективным. Этот пример побудил ученых более внимательно посмотреть на мир частиц и попытаться использовать все их необычные свойства. Другими необычными свойствами частиц являются перепутанные состояния, или состояния суперпозиции. Оказывается, если у вас есть какая-либо частица, которая может быть в каких-то конкретных состояниях, которые диктуются в квантовой механике, то она может быть и в промежуточных между ними состояниях. Это может быть использовано в такой теме, как квантовое вычисление. Что такое перепутанные состояния и как себе их представить? Возьмем, к примеру, телевизор. В телевизоре цвет составляется из трех базовых цветов: синего, красного и зеленого. В зависимости от того, в какой пропорции мы их сложим, наш глаз воспринимает разные цвета. Похожее дело происходит и в квантовой механике. Может быть два разных состояния, но они могут складываться с какими-то весами. Это не будет означать, что на самом деле эти веса излучаются каким-то источником, это означает, что если измерить данную частицу, то с вероятностью одного веса вы найдете ее в одном состоянии, а с вероятностью другого — в другом состоянии. Несмотря на то, что такой технический момент сильно отличается, смысл очень близкий. Это некоторые промежуточные состояния. Если у вас есть частица с двумя конкретными состояниями, но вы умеете делать ее в суперпозиции, то вы можете получить такое же богатство цветов, какое вам показывает телевизор.
— Когда появились квантовые технологии?
— В 1985 году появилась флэш-память. Это была разработка корпорации Toshiba, у них есть исследовательское подразделение в Оксфордском университете. Само слово появилось в конце 90-х годов, его придумал автор Артур Экерт. И это было обобщение развития квантовых технологий, различных идей: квантовых вычислений, линий связи и других устройств. Флэш-память, например, не относится к квантовым компьютерам, но относится к квантовым технологиям.
Квантовые технологии — это квантовая физика. Это попытка использовать квантовую физику на благо человечества. Квантовая физика — это очень богатая наука, и мы здесь выделяем тот класс явлений, который считаем полезней. Квантовая оптика — это наука, в которой мы учимся создавать состояние света. С одной стороны, мы по развитию интернета знаем, что самые быстрые линии, позволяющие нам работать в интернете, — это оптические линии. Это связано с тем, что у света высокая несущая частота порядка 1015, и мы его можем модулировать на очень высокой частоте. Если для электрического тока частоты порядка 1 ГГц дают вам гигабит, и это уже достаточно высокие частоты, то для света эти частоты являются совершенно несерьезными. Несложно и на терабите модулироваться, и на более высоких частотах.
С другой стороны, свет — это поток частиц. Свет состоит из фотонов. Фотоны — это частицы света. Их отличие от электронов в том, что они ни с чем не взаимодействуют. Электроны — это заряженные частицы. Атомы также состоят из заряженных частиц, поэтому электроны всегда очень хорошо взаимодействуют с атомами, тем более если они внутри твердого тела с кристаллической решеткой. Фотоны ни с кем не взаимодействуют. Они летят в свободном пространстве, и единственный объект, с которым они могут взаимодействовать, — это атом, который к ним резонансен. Во всех остальных случаях они являются идеальным переносчиком информации. Это одна из первых причин, почему они интересны для квантовых технологий — как переносчик информации, который с квантово-механической точностью сохраняет свои свойства, перенося информацию на большие расстояния.
— Как и для чего это можно использовать?
— Это можно использовать сразу для нескольких вещей: для квантовых вычислений и для квантовых линий связи. Начнем с линий связи. Зачем нам нужны квантовые линии и почему бы не пользоваться обычным интернетом? Вопрос только в секретности. В современном интернете секретность обеспечивается криптографическими ключами, довольно большая часть базируется на технологиях открытого ключа. Это технология основана на том, что расшифровать ключ определенной длины сложно, имея современные вычислительные технологии, но если эти технологии улучшатся, то мы сможем этот ключ расшифровать, и тогда банковские переводы станут небезопасными. Квантовые линии связи предлагают другой принцип: они предлагают посылать информацию, закодированную в одиночных частицах, фотонах. В квантовой механике запрещена сама возможность копировать квантово-механические частицы. Вы их можете измерить только один раз. Если кто-то попытается ее измерить и послать такую же, то это можно будет сделать только с ошибкой, что сразу будет заметно.
— Сейчас их используют?
— Их используют достаточно мало. В основном это банки. Также использовали на чемпионате мира по футболу в Африке для передачи сверхсекретной информации о результатах матча. Каким образом она стала столь секретной — мне сказать сложно, но факт остается фактом: местный университет построил квантовую линию связи, и они передавали информацию именно по ней.
— Почему квантовые линии связи не внедряются дальше?
— Есть ограничения. Вы можете скопировать ваш бит только один раз. Это значит, что если у вас есть конечная длина распространения света — а в современных волокнах это порядка ста или нескольких сот километров, — то дальше ничего сделать не получится. То есть можно передать информацию на 100 км и все. Это проблема, которая до сих пор не решена. Но есть путь решения. Используя квантовые технологии, можно создавать перепутанные пары фотонов и с их помощью, посылая два конца из одной точки, связывать между собой две удаленные точки. Если это делать каскадно, то есть понастроить кучу узлов, которые передают связанные фотоны, то можно организовать линию связи на бесконечно большие расстояния. Это технология, которую сейчас пытаются разрабатывать. У нее есть некоторые сложности. Чтобы это все работало, вам нужна еще квантовая память на узлах сети. Потому что вам надо уметь запоминать те фотоны, которые пришли, и сообразить, в какой момент их использовать. Эту квантовую память сейчас разрабатывают. Есть много кандидатов, которые предоставляют хорошую квантовую память. Это могут быть сами фотоны, если их поместить в резонатор. Но это достаточно краткосрочная память. Это могут быть атомы, внедренные в твердое тело примеси, охлажденные атомы или какие-то ионы в ловушках. У всех этих систем есть сложность, связанная с тем, что необходимо переписать фотон на ваш атом с вероятностью в 100%. Если вы этого не сделаете, то ваша квантовая память бесполезна. Это приводит к дополнительной проблеме квантовых интерфейсов. Это нечто, что позволяет переписать информацию со света на спин или наоборот. Это одна из горячих тем современной науки. Есть предложения сделать квантовую память не на одном атоме или электроне, одиночном квантовом объекте, а на их ансамблях. В этом случае проблема квантовых интерфейсов должна упрощаться. Есть ряд экспериментальных работ, но такой работающей надежной квантовой памяти пока нет.
— Расскажите про квантовые вычисления.
— Квантовые вычисления — это немного другая вещь, и она связана с тем, что мы можем научиться использовать свойства частиц, в основном получать возможность создавать перепутанное состояние частиц, для того чтобы быстро проводить определенный класс вычислений, которые сложны для современного компьютера. Как правило, это задачи, связанные с перебором, задачи разложения на множители и другие задачи, которые современному компьютеру решать тяжело. Квантовый компьютер является антиподом квантовым линиям связи. Он является тем средством, которым можно разрушить современные системы криптографии, что привлекает к нему большой интерес различных правительств. Но квантовый компьютер решает не только такие бесполезные задачи, как разрушение квантовой криптографии. Он также может решать много математических задач, системы линейных уравнений. Но не все. Быстрее перемножать он не сможет.
Для того чтобы его построить, нужно уметь делать операции над элементарными квантовыми частицами. Например, над спинами, у которых могут быть состояния «спин вверх» и «спин вниз». Спин — это механический момент вращения частицы. Он, как правило, связан с магнитным моментом. Можно себе представить спин как элементарный магнитик, который направляется вверх или вниз. Казалось бы, в обычных вычислениях мы биты так и строим. У нас есть состояние 0 и 1. Между ними мы строим логические операции, и тем самым мы можем построить компьютер любой сложности. В квантовом мире мы можем использовать тот факт, что частицы могут находиться не только в состоянии 0 и 1, но и в суперпозиции. И это позволяет нам подать на вход нашего вычислителя все возможные комбинации 0 и 1 за один раз. И если мы правильно построим алгоритм вычисления, то на выходе за один раз получим правильный ответ. Все возможные исходные данные подаем, пропускаем их через алгоритм и выясняем, какой ответ правильный. Это приводит к новой проблеме, так как надо уметь строить квантовые алгоритмы. Их существует 40–50. Они постоянно обновляются, и это очень быстро расширяющаяся область — как строить вычисления таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать свойства частиц и получать действительно большие ускорения в вычислении. Свет здесь играет важную роль по нескольким причинам. Все вычисления вы можете проводить локально, но дальше результат нужно передать на другой узел. Наиболее интересным является тот случай, когда нам надо передать квантово-механическое состояние. Как это сделать? Электроны взаимодействуют со всем, и ими очень сложно передать квантово-механическое состояние, а свет — это универсальный переносчик. Частицы света можно использовать для переноса информации. С другой стороны, тот факт, что свет является таким видом волны, которую можно достаточно быстро модулировать, тоже важен. И может возникнуть ситуация, когда вы вроде бы сформировали классический ответ, но вам с ним что-то все равно надо сделать и куда-то передать. И вопрос в том, как это сделать быстрее. Светом всегда быстрее. С одной стороны, это универсальный передатчик информации, здесь на него можно смотреть с точки зрения одиночных фотонов. А с другой стороны, это способ быстро передавать классическую информацию, и в этом смысле тоже хочется управлять светом. Одна из задач квантовых технологий — научиться не только передавать информацию с вещества на свет и со света на вещество, но и управлять светом при помощи света. Это сложно.
— Какие здесь возникают проблемы?
— Это сложно потому, что свет не взаимодействует не только с веществом, но и со светом. И со светом он не взаимодействует в первую очередь. Поэтому, если вы пытаетесь управлять светом при помощи света, а он сам с собой не взаимодействует, то возникает небольшая сложность. Эту сложность можно решить, если добавить то, с чем свет взаимодействует, а именно атом, резонансный к этому свету. Дальше у вас возникает проблема, близкая к квантовому интерфейсу. Вам надо построить такую среду, чтобы прохождение одного фотона повлияло на прохождение другого. Единственным посредником, который у нас есть, является атом. Нам надо сделать так, чтобы и один фотон с атомом проговорился с вероятностью 100%, и второй. Задача уже решается не для одного фотона, а для двух. Вы получаете более интересный результат, так как можете переключать фотоны фотонами. Вы можете делать это для классических вычислений и для классических линий связи, для интернета или даже для оптического процесса внутри вашего компьютера, а можете для квантовых, и вы можете переключать их, не нарушая их состояния. Это позволяет расширить вычислительные возможности и решать массу интересных задач, которые на сегодня мы решать не умеем. Вплоть до прогноза погоды.
— Что еще мы сможем делать?
— Задач много. Это прежде всего оптимизационные задачи и задачи обращения с большими базами данных, которые становятся актуальными в связи с ростом количества информации в интернете. Это задачи расчета сложных систем. Например, поиск новых материалов с заданными свойствами. В некоторых случаях мы имеем хорошие модели, которые позволяют нам преуспевать прямо сейчас, а в некоторых случаях мы не умеем считать такие материалы, и нам нужна квантовая механика, для того чтобы научиться их считать. Есть задачи, связанные с навигацией. GPS- навигация достаточно неплохо работает, но если сделать часы точнее, то можно сделать точнее и навигацию. Довести ее до уровня сантиметра или миллиметра. В какой-то момент, возможно, это потеряет смысл, но точнее, чем сейчас, сделать возможно. Для этого нужно научиться делать более точными часы. Оптические часы тоже основаны на атомах, как и современные часы, но на частотах перехода, лежащих в оптическом диапазоне, они оказываются более точными. Сегодня они обходят определение секунды на два порядка. Здесь оптика пролезает с совершенно другой стороны. Но навигация не заканчивается тем, что есть спутники, и вы принимаете с них сигнал. Бывает навигация в гараже, а в гараже спутников нет. Или в тоннеле. В этот момент вы переключаетесь на различного рода датчики, которые есть в смартфоне или в навигаторе. Датчики обладают конечной точностью, и на сегодняшний день они все дрейфуют, у них ноль смещается, и они не очень точные. Квантовые технологии тут могут быть использованы для того, чтобы улучшить эти датчики, перевести их из мира электромеханических устройств в мир, который связан с фундаментальными свойствами атома и с его механическим моментом, тем самым решить все проблемы дрейфов и сделать эту навигацию более точной.
— Вы сказали, что если получится решить проблему управления светом при помощи света, то все это сможет реализоваться. Эта проблема, по вашим прогнозам, может быть решена в ближайшем будущем?
— Скорее всего, да. Уже сейчас появились некоторые технологии, которые в лаборатории позволяют решить эту проблему. На сегодняшний день есть лабораторные демонстрации управления фотонами при помощи фотонов. Это достижение последних 2–3 лет. Мы можем переключать одиночные фотоны с помощью других фотонов. Насколько быстро это может выйти в какие-то индустриальные образцы — вопрос сложный, потому что это требует тщательной дополнительной проработки. Это большая работа, которую надо делать и которая займет не один год. На уровне принципиальных идей сегодня это возможно. Такие устройства работают, и есть смысл сделать их интегральными и реализовать массу интересных вещей.
— Как поймать фотон, для того чтобы его запрограммировать?
— Один из способов это сделать — использовать резонаторы. Резонатор — это сумма двух зеркал, направленных друг на друга, между которыми фотон может бегать вперед и назад. Если поставить такую систему зеркал на пути фотона, то фотон будет бегать между ними достаточно долгое время. Все это время с ним можно будет работать. Можно использовать плазмоны, то есть сконцентрировать фотон и преобразовать его из света в поверхностную волну на металле с сохранением свойств. В этом случае вы можете пространственно его локализовать и уменьшить скорость его распространения. Можно использовать фотонные кристаллы и путем правильного инжиниринга стекла, насверлив в нем дырки очень хитрым способом, заставить фотон распространяться существенно медленнее, чем он распространяется в вакууме, и уменьшить его групповую скорость вплоть до нуля. Такого рода эксперименты проводились, и оказывалось, что групповую скорость можно значительно снизить. Можно поймать фотон, затормозить его, для того чтобы с ним работать. Другое дело, что это не всегда нужно. Если вы научились осуществлять хорошее взаимодействие между атомом и фотоном, то вам и не нужно его останавливать. Вы его просто переписываете.
— Когда, по вашим прогнозам, квантовые процессы будут использоваться для промышленного производства компьютеров?
— Некоторые говорят о том, что они уже появились. Компания D-Wave выпускает странный вид квантовых вычислителей, которые называются «адиабатические квантовые вычислители». До сих пор никто не может доказать, что они относятся к классу квантовых компьютеров и что они делают нечто большее, чем классические вычислители. Их успешно использует Google в обучении нейронных сетей и получает выигрыш в 30 тыс. раз по сравнению с использованием стандартных компьютеров. Притом что это небольшие компьютеры, там буквально 1 тыс. бит. Но тем не менее они умудряются получить огромный выигрыш. Голландцами было показано, что для каждой задачи, в которой они получают выигрыш, его можно было бы получить на обычных графических процессорах, используя очень хитрые алгоритмы. На что Google ответил, что тогда для каждой задачи нужен будет свой алгоритм. Недавно D-Wave выпустил еще более мощный компьютер с большим числом бит.
В каком-то смысле квантовые компьютеры уже появляются в нашей жизни. Они появляются не для обычного человека, а для крупных компаний, стоят очень дорого, но тем не менее они начинают что-то изменять. Очень сложно сказать, когда квантовые процессоры будут интегрированы в каждый телефон. Развитие обычного компьютера заняло порядка 40 лет. И, вероятно, развитие квантового займет если и меньше, то не сильно. Хочется верить, что это займет не очень много времени, иначе мы можем потерять интерес.
— Будет ли осваивать промышленность ваши технологии?
— Как показывает история развития науки, если вы придумываете что-то очень хорошее, но несовместимое с современной технологической линейкой, то вероятность того, что вы действительно что-то сможете сделать, очень маленькая. Над этим вопросом приходится думать. Поэтому часть вещей, которые мы разрабатываем, мы нарочно разрабатываем в направлении, совместимом с технологической линейкой. Иногда даже в ущерб некоторым характеристикам. В частности, когда мы говорим о квантовом интерфейсе, то один из вариантов, который мы разрабатываем, основан на материалах, полностью совместимых с CMOS-технологиями. Это дает нам надежду, что он может выйти в реальную жизнь.
— Какие задачи стоят перед квантовыми интерфейсами?
— Квантовые интерфейсы бывают разные. Основная их задача — переписать информацию со света на спины или на память в твердом теле. Одной из важных проблем в квантовых интерфейсах является совместимость с технологией. Здесь очень важно использовать материалы, которые совместимы с современной технологией. Мы используем CMOS-технологию, но есть и другие варианты. Сегодня существует большое количество видов интерфейсов, и можно использовать самые разные их свойства. Можно строить резонаторы и использовать два зеркала. Зеркала — это объемные вещи, и их очень сложно совместить с технологией. Как можно заменить зеркала на что-то технологичное? Если вы начнете регулярно насверливать дырки в каком-то электрике, например в стекле, то на эти дырки можно посмотреть так же, как мы смотрим на кристаллическую структуру в твердом теле. И можно сказать, что раз у меня есть кристаллическая структура, то у меня должны быть зоны проводимости, запрещенные зоны. Все то же самое, что мы имеем в твердых телах, полупроводниках, металлах и изоляторах. То же самое можно сделать в оптике. Путем правильного рассверливания дырок можно сделать изолятор, то есть что-то, что отражает свет, или проводник, чтобы проводить свет. Тем самым построить какой-то резонатор, то есть сделать зеркала. В такой системе можно организовать сильное взаимодействие между атомом, помещенным в такой резонатор, и светом. Другой возможный подход — это использование материалов с очень необычными свойствами. Например, при использовании плазмонов или гиперболических метаматериалов оказывается, что если рядом с ними поместить атом, то они смогут поглощать массу фотонов внутрь себя, можно заставить атом излучать фотоны гораздо больше, чем он бы излучал в свободном пространстве, но внутрь себя. Если правильно работать с этими материалами, то лишние фотоны можно извлекать и тем самым разговаривать с атомом. Поскольку он излучает гораздо больше, чем в свободном пространстве, то вы с вероятностью близкой к 100% через эти дополнительные фотоны будете разговаривать с ним.
— Если вы и ваши коллеги в других центрах и лабораториях реализуете все, что планируете, что мы будем иметь?
— Если реализуется все, что мы хотим сделать, то иметь мы будем очень многое. Можно начать с малых вещей: если мы научимся делать датчики, которые мы хотим, это сильно изменит диагностику заболеваний в медицине: мы сможем диагностировать рак на ранней стадии и многие другие заболевания. Это изменит систему навигации: телефон перестанет ошибаться в ориентации, указывая неправильную полосу на дороге; вы сможете ориентироваться в гаражах и тоннелях достаточно долгое время. Если говорить о задачах квантовых симуляторов, то, если в конечном итоге нам удастся создавать магнитные материалы, не использующие редких земель, это сильно изменит рынок, связанный с электромобилями и электрическими двигателями. Если нам удастся сделать высокотемпературную сверхпроводимость, это сильно изменит рынок электроэнергии, потому что потери в линиях передач прекратятся, можно будет передавать энергию без проблем. Также это достаточно сильно может повлиять на транспорт. Например, можно сделать поезд на магнитной подушке, и поезд будет летать над рельсами, а не ездить по ним. Спектр задач и изменений очень большой. Если удастся сделать квантовые вычислители, которые будут решать много задач гораздо быстрее, то упростится не только поиск в сложной базе данных, но и многие задачи, связанные с переводом текстов, со сложными вычислениями для индустрии, когда вам нужно рассчитать сложные макеты и так далее.
