Развитие квантовых вычислений нельзя отделить от изучения квантовых свойств материалов. Именно материалы помогут учёным преодолеть все препятствия на пути к созданию, к примеру, эффективного квантового компьютера. Павел Аврамов — доктор физико-математических наук и главный научный сотрудник лаборатории фотофизики и фотохимии молекул физического факультета ТГУ. Он специализируется в теоретической разработке низкомерных квантовых материалов, в том числе — на основе графена. Они, утверждает Павел, смогут вывести человечество на принципиально новые информационные способности. Однако мы сейчас даже не можем их полностью понять.

Мы побеседовали с Павлом Аврамовым о проблемах квантовой механики и о том, когда появятся квантовые технологии.

Квантовая запутанность и кубиты

— Какую проблему своими исследованиями вы пытаетесь решить?

— Мы сейчас основной упор делаем на исследования квантовых материалов. Это материалы будущего, потому что технологическое будущее в существенной степени будет завязано на ряде квантовых технологий. Допустим, квантовые вычисления. Они будут проводиться на кубитах — наименьших единицах информации в квантовом компьютере, использующихся для квантовых вычислений.

Идея вот в чем: классические биты выполняют действия последовательно. А когда мы начинаем применять законы квантовой механики, то эти законы можно обойти. Почему? Потому что квантовая механика подразумевает, что у материи есть нелокальные свойства.

Принцип локальности — теория, в которой на объект может влиять только его непосредственное окружение. Если ударить кулаком по столу, то кулак и стол, разумеется, будут взаимодействовать между собой: стол сотрясётся, разольётся чей-то чай в кружке, которая стояла на этом столе. В квантовой механике принцип локальности не соблюдается. Чтобы разлить чай, не обязательно стучать по столу, на это можно повлиять на расстоянии — причем даже очень большом.

— И как на практике применяются законы квантовой механики?

— Например, мы в каком-либо эксперименте лазером генерируем два фотона. Когда мы их генерируем, мы не знаем энергию каждого фотона, но знаем общую сумму. Таков закон. Например, мы разделили эти фотоны и послали в разные места. Они летят. Так как не была известна энергия каждого фотона, мы определяем энергию первого фотона. Как только мы это сделали, сразу же становится известна энергия второго фотона. Самое удивительное: это происходит мгновенно. Так называемое дальнодействие. Этот эффект называется квантовая запутанность.

Представим себе: есть две квантовых частицы, они всегда взаимодействуют друг с другом. У каждой частицы одно квантовое состояние. Когда они взаимодействуют, у них всегда получается два квантовых состояния. Мы не знаем какие. Дальше происходит вот что: мы определяем первое состояние — и автоматически мы определяем второе. Причем, у нас частицы находятся далеко друг от друга. И это важно. Если они находятся далеко, то энергия квантовых состояний близка друг к другу, и их сложно разделить с энергетической точки зрения. Вот берем два кубита и светим на них лазером. Определили первое и второе квантовые состояния. Обратите внимание: по факту это процесс вычисления.

Управлять кубитами — носителями информации в квантовом компьютере — довольно сложно. Последний рекорд по управлению кубитами поставили учёные из США: им удалось создать квантовый симулятор, который управлял 256 кубитами.

Физика материаловедения

— А ваши исследования как в эту проблему встраиваются?

— Материалы — основа всего. Мы ими занимаемся. В квантовых технологиях есть проблема, в их устройствах ошибка заложена в их природе. Это фундаментальное ограничение — называется принцип неопределенности Гейзенберга. Работает это так: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Мы никогда не сможем точно определить у одной частицы одновременно и координату, и импульс. Или время и энергию.

В мире квантовых явлений любое измерение воздействует на систему. То, что кто-то пытается измерить частицу, уже приводит к изменению ее параметров. И это изменение непредсказуемо.

— И вот с этим принципом кубиты всегда подвержены ошибкам. Чтобы быть уверенными в вычислениях, нужно проводить два и больше вычислений одновременно.

Мы занимаемся теоретической разработкой квантовых материалов. Это низкомерные материалы: два-один-ноль-мерные. Мы применяем методы квантовой химии. Так как у нас пока никто не реализовал универсальных квантовых вычислений, мы пока находимся на уровне физики материаловедения. Есть компьютеры квантовые — специализированные, рассчитаны на упорядочение массивов. Там фиксируется квантовая запутанность между кубитами — это потрясающе сложные аппараты.

Квантовая механика не основана на нашем ежедневном опыте. Она не может быть понята обычным человеком. Это совсем другое. Квантовая механика понимается на уровне дифференциальных уравнений второго порядка в приближенном виде. Вот вы решаете что-то такое с помощью компьютера, получаете ответ. Но понять этот ответ довольно сложно человеку вне этой сферы. Понять, как мои действия здесь и сейчас влияют на какие-то события в Африке, — невозможно. А в квантовой механике это сплошь и рядом.

«Мы думаем весьма специфично»

— Квантовые вычисления — это технологическое будущее человечества. Принципиальное повышение информационных возможностей. Когда я был студентом 1 курса, я читал умные книжки. Там было сказано: квантовая химия — вещь хорошая, но если мы представим, что каждый атом — это бит памяти, то чтобы исследовать электронную структуру одной молекулы белка, нам не хватит всего материала Вселенной. А квантовые вычисления позволяют обходит этот запрет. Если мы сможем сделать систему взаимовлияющих друг на друга кубитов, то в конечном итоге сможем получать любые информационные возможности, которые можем представить. Вообще любые. Для физики, химии, искусственного интеллекта.

— В чем подвох?

— Естественно, жизнь сложна и несправедлива. Поэтому на пути в светлое будущее есть препятствия. Пытаются делать системы из 128 кубитов, но это всё очень сложные машины, и они заточены только под очень узкий класс задач — задач оптимизации. К примеру, у вас просто есть массив чисел, которые нужно упорядочить. А до эпохи квантовых вычислений еще очень далеко. Как минимум лет 30.

Всё упирается в материалы. Весь прогресс человечества — это прогресс материалов. Каменный век закончился не потому, что закончились камни. Сначала новые материалы — потом новые устройства и технологии. Чтобы делать квантовые устройства, нам нужны твердотельные материалы. Потому что когда это дело пытаются делать на атомах, которые пойманы в оптические ловушки, это непрактично. Потому что чтобы поймать 10 атомов, надо машину размером с половину моего офиса.

Оптическая ловушка — устройство, которое с помощью лазерного пучка перемещает микроскопические объекты, сохраняя их внутреннюю структуру. Дело в том, что перемещать обычным пинцетом объекты микронных размеров нельзя: любая попытка захватить такой объект тут же разрушит его.

— Сколько кубитов нам нужно, чтобы, наконец, прийти в светлое информационное будущее?

— Мы должны создавать ансамбли кубитов. Это не один и не два кубита. Этого мало. Нас интересует n-факториал. Моя персональная мечта — нам нужно авогадро кубитов. Это 6х10 в 23 степени. Такое количество кубитов даст нам то, чего мы сейчас не понимаем и понять не можем.

— Почему?

— У нас есть когнитивные лимиты: мы думаем весьма специфично. Логика — простая вещь, это цепочка ответов «да/нет». И всё. А сложность… Если вы откроете математическое определение этого слова, то увидите, что там написано: сложность — это количество элементов. И если вы способны вмещать какое-либо значимое количество объектов в свою память и выстраивать логические цепочки длиннее 6 шагов, то вы гений!

Но обыкновенный человек может выстраивать логические цепочки только в три шага. Чемпион мира по шахматам — 8. И это лимит человеческого мозга. А если искусственный интеллект будет выстраивать логические цепочки в 1000 шагов, мы сможем понять такой ИИ? Нет. И это принципиальное ограничение человека. Когда будет ИИ на квантовых системах, будет сделано нечто, чего мы не можем понять. Как собака не понимает человека — общается, но математику никогда не поймет. Так же будет с человеком и ИИ.

Беседовала Екатерина Виноградова.

Предлагаем дополнительно посмотреть лекцию Павла Аврамова «Углеродные наноматериалы и метеоритные суперкатастрофы», которую он прочел в ТГУ: