Реальна ли идея квантового компьютера? Каким видится идея Российского квантового центра его создателям? Серия интервью с физиками Олегом Астафьевым, Алексеем Китаевым, Евгением Ползиком и Алексеем Устиновым состоялась во время первой Международной конференции по квантовым технологиям, проходившей 13-17 июля 2011 года в Москве. Недавно стало известно, что Алексей Устинов стал одним из победителей второго конкурса мегагрантов и будет создавать лабораторию в национальном исследовательском университете МИСиС, а Олег Астафьев провел серию экспериментов, которая, возможно, сделает его знаменитым (но об этом читайте в одном из следующих номеров Nature). Беседовала Наталия Демина.
* * *
"Глаза боятся, а руки делают"
Алексей Устинов – выпускник Физтеха, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой экспериментальной физики, директор Физического института Технологического Университета Карлсруэ (Германия).
Насколько реальна идея квантового компьютера? На Ваш взгляд, стоит ли нам его ждать в ближайшие 20 лет?
Я думаю, что применение квантовых технологий для пользы человечества очень реально и это будет заметно довольно скоро и уже происходит. Не нужно сводить все квантовые технологии, о которых мы говорили на этой конференции, к квантовым компьютерам, потому что это только одно из возможных приложений. Оно, конечно, трудно реализуемо, но шаги для его реализации и прототипы уже продемонстрированы. Как говорится, глаза боятся, а руки делают. И прогресс за последнее десятилетие достигнут колоссальный.
В области квантовых устройств на базе сверхпроводников, в которой я работаю, 4-5 лет назад трудно было себе представить, что сегодня будут успешно работать уже схемы из трех кубитов с ошибками не более нескольких процентов. Это потрясающе. Времена „жизни“ сверхпроводниковых кубитов увеличились в тысячи раз за последние десять лет. Прогресс колоссальный. И конечно то, что уже пойдет в приложения: это квантовые коммуникации, квантовая криптография, квантовая телепортация, т.е. передача фотонов на расстояние с сохранением их квантовых состояний. Это уже те технологии, которые пошли в жизнь.
На конференции обсуждалось много красивых и перспективных направлений, связанных с точными приборами, датчиками, для создания которых используются квантовые технологии. Это то, что имеет довольно большой спектр применений. Человечеству нужны будут не только квантовые компьютеры, на которых можно что-то рассчитывать, ведь по дороге к воплощению этой идеи уже обнаружено много того, что уже работает и будет полезно в ближайшем будущем.
На мой взгляд, идея Российского квантового центра – это замечательный шанс создать что-то высокого уровня в России. Основное требование в том, чтобы работа этого центра оценивалась по гамбургскому счету, на международной панели. Его международный научный совет будет состоять из выдающихся людей, включая Нобелевских лауреатов.
Деньги будут российские, а экспертиза международная?
Идея состоит в том, чтобы создать научный центр, который будет полностью открыт в международном плане, что будет привлекать сюда самых лучших ученых со всего мира для проведения исследований. Мы планируем создать его на основе наукограда Сколково, поскольку Сколково позиционирует себя как инновационный центр.
Однако с самого начала мы говорим, что не собираемся обещать сразу завтра какие-то приложения. Мы хотим в первую очередь делать передовую фундаментальную науку, из которой в дальней перспективе может произойти какой-то выход в практику в виде spin-off, которые будут отпочковываться и заниматься более прикладными квантовыми технологиями.
Но для начала необходимо создать критическую массу из нескольких научных групп, которые будут работать по темам, отраженным в тематике нашей конференции. Первоочередная задача - сделать Российский квантовый центр привлекательным для ученых, а со временем и авторитетным в международном масштабе. Мы хотели бы создать новый научный центр, который будет иметь в будущем репутацию, сравнимую с институтами Макса Планка или аналогичными квантовыми центрами других стран.
Справа налево: один из организаторов конференции Алексей Устинов (Университет Карлсруэ, Германия) с коллегами: Сергеем Шитовым (Институт радиотехники и электроники РАН)(в центре) и Андреем Панкратовым (Институт физики микроструктур РАН, Н.Новгород)(слева)
Такие квантовые центры уже созданы в нескольких странах мира и имеют свои особенности. В Сингапуре есть центр, занимающийся теорией. Есть квантовый институт между Гарвардом и MIT в США, имеется аналогичный институт в Канаде. Еще одна сильнейшая точка конденсации – это Инсбрук (Австрия), квантовый центр, где были сделаны фундаментальные квантовые эксперименты. На самом деле, это очень важная тема для современной науки, и у России есть шанс подготовить в этой области прорыв, опираясь на квантовые технологии.
Мне кажется, что у нас в стране можно будет сделать что-то более интересное с точки зрения экспериментальной части. Об этом я сужу хотя бы на основе того, что огромная часть квантовой науки создавалась при активном участии российских ученых. Многие основоположники квантовой науки и лазерной оптики работали и сейчас работают в России. И в том, что касается твердотельных систем, которыми я занимаюсь, в России делается очень много.
Вы подали заявку на участие во 2-ом конкурсе мегагрантов. Что Вы ждете от этого конкурса?
Я надеюсь, есть шанс, что мой проект окажется в числе победителей. Это существенно улучшенный вариант проекта, который я уже подавал в 2010 году. Мне кажется, что первый конкурс прошел очень успешно. Среди людей, которые стали победителями и которых я знаю в области физики, есть Владимир Евгеньевич Захаров и Юра Кившарь, это люди очень достойные. У меня нет ни малейших сомнений, что было абсолютно объективное международное рецензирование. Я считаю, что это очень хорошее дело, проведенное по международным правилам, и хотелось бы, чтобы это продолжалось дальше. Хотелось бы что-то в России возродить и заново взрастить.
Меня радует то, что если вы победите, то сможете больше бывать в России.
Я в этом очень заинтересован и хотел бы сделать что-то полезное для страны, которая дала мне образование, которую я люблю и в которой хочу находиться чаще.
Наша задача состоит в том, чтобы заниматься в т.ч. и фундаментальными вещами, потому что не вложившись в науку и образование, нельзя построить ни инновационный город, ни что-то по-настоящемустоящее и конкурентоспособное.
* * *
"Квантовые компьютеры уже созданы"
Евгений Ползик (Eugene Polzik) – профессор Института Нильса Бора, директор Датского центра квантовой оптики, академиком Королевской академии наук Дании.
Насколько реальна идея квантового компьютера? Удастся ли его создать?
Это зависит от того, что вы готовы называть квантовым компьютером. Во-первых, надо хорошо понимать, что квантовый компьютер не заменит вам ноутбук. Такие компьютеры могут решать лишь определенные задачи. Наиболее важные (front-runner) задачи – это квантовые симуляции, о которых еще Ричард Фейнман говорил. Вы делаете квантовую систему – искусственную систему атомов или ионов – и в ней моделируете свойства систем, которые вам иначе не построить. И такие системы уже есть, и они будут совершенствоваться, будут давать предсказания, которые с помощью обычных компьютеров просто не сосчитать.
Евгений Ползик (слева) с Павлом Бушевым (Университет в Карлсруэ, Германия)
Можно также говорить о квантовых компьютерах меньшего размера. Можно предполагать, что маленькие компьютеры, в которых все равно есть эти entanglement, эти связанные состояния, они могут служить для очень чувствительных сенсоров, для осуществления очень чувствительных измерений за квантовыми пределами. И такие вещи уже делаются. Это рудиментарный квантовый компьютер.
Т.е. в некотором смысле квантовые компьютеры уже созданы, и эта область науки будет развиваться. Основываясь на том, сколько замечательных ученых трудятся над этой темой по всему миру, что-нибудь интересное обязательно будет.
* * *
"Мы можем контролировать единичные кванты"
Олег Астафьев – выпускник Физтеха, канд.физ.-мат.наук, principal researcher NEC Green Innov. Research Labs and RIKEN (Япония):
Насколько идея квантового компьютера кажется Вам реальной? Нужны ли квантовые технологии?
Конечно, нужны. Даже если квантовый компьютер не будет сделан, то появятся какие-то новые технологии и идеи в ходе наших исследований. Человечеству нужно движение вперед. Нужна цель, к которой все будут стремиться. На самом деле, то, что ученые научились делать за последние 10-20 лет – это удивительные вещи.
Что удалось сделать за эти годы? Можете перечислить главные этапы?
Ученые научились манипулировать единичными квантами и не просто ими манипулируют, а когерентным образом, т.е. не теряя квантовой информации. Отдельными квантами, отдельными атомами, отдельными фотонами, опять же не теряя когерентности. Разве это не удивительная вещь?!
На фото: Олег Астафьев
Вы физик-теоретик или экспериментатор?
Экспериментатор. Я работаю со сверхпроводящими твердотельными кубитами.
Что такое твердотельный кубит?
Твердотельный кубит – это квантовая макросистема. Она состоит из большого количества атомов, но ведет себя квантовым образом, т.е. существенно также как обычный атом.
Т.е. ее можно увидеть в микроскоп?
Да-да, на нее можно посмотреть в оптический микроскоп и ее размеры могут быть вплоть до микрона. Сверхпроводимость позволяет сделать такую квантовую систему, потому что там нет диссипации (Ред. от лат. dissipatio — «рассеиваю»), потери энергии. Сверхпроводимость – она недиссипативна.
Что из себя физически представляет кубит?
Это квантовая система. В школе нам всем рассказывали об атомах, что они имеют энергоуровни. Кубит – это фактически искусственный атом. Обычный атом – очень маленький, но можно собрать вместе много атомов и сделать из них квантовую систему, используя сверхпроводимость или пространственное квантование. Т.е. кубит – это искусственная система, состоящая из многих атомов, но ведущая себя как один объект, в главных чертах как атом.
На самом деле, кубит можно сделать не только на искусственных системах. Его пытаются сделать на реальных атомах, собственно говоря, первая половина конференции в Москве была посвящена этому – оптическим кубитам и квантовым эффектам на одиночных атомах. Если раньше физика изучала квантовые эффекты в большом количестве атомов, то теперь манипуляции происходят с единичными атомами. Повторюсь, что сейчас в квантовой физики происходят удивительные вещи.
Ученые спустились на такой микромир!
Этого раньше не могли сделать, а теперь в этой области достигнут очень большой прогресс.
Насколько я помню из университетского курса квантовой механики, она контр-интуитивна, Вы уже развили у себя интуицию в квантовой механике? Можете ли заранее понять, как частицы будут себя вести?
Конечно, да. Поскольку мы долго с ними работаем, то есть опыт, мы знаем, что ожидать от своей системы, но действительно в каких-то областях она контр-интуитивна. Некоторые вещи действительно необычны и в нашем обычном мире не проявляются.
Что Вас больше всего удивляет и поражает в поведении квантов?
Удивляет то, что мы можем контролировать единичные кванты, что мы с ними манипулируем, не теряя информации, не теряя когерентности.
* * *
Если продолжить традиции сборника "Физики тоже шутят", то можно было бы сказать, что квантовая физика – это физика жестов. Об этом можно было судить по дискуссиям, которые в кулуарах вели между собой физики, собравшиеся на первой Международной конференции по квантовым технологиям в Москве.
* * *
На фото: Алексей Горшков (Калтех) (справа)
* * *
Зарубежные участники конференции
* * *
* * *
Слева направо: Евгений Ползик (Eugene Polzik), профессор Института Нильса Бора, директор Датского центра квантовой оптики, академик Королевской академии наук Дании с Павлом Бушевым (Университет в Карлсруэ, Германия).
* * *
В центре: Владимир Манучарян (Гарвардский университет) и Алексей Китаев (Калтех)
* * *
Слева направо: Юрий Махлин (Институт теоретической физики им Л.Д. Ландау РАН) и Евгений Ильичев (руководитель группы лаборатории квантового детектирования Института фотонных технологий (IPHT), Йена, Германия)
Фото Наталии Деминой.
