Станет ли Дагестан центром уникальных разработок по квантовой физике? Подробнее об этом рассказал Заур Алисултанов

МАХАЧКАЛА, 10 февраля – РИА «ДАГЕСТАН». Недавно российское научное сообщество отметило свой профессиональный праздник – День российской науки. Праздник, учрежденный в 1999 году, для российских ученых уже стал традиционным. Как правило, в этот день принято говорить о крупных достижениях в той или иной области. 

Символично, что ООН назвал 2025 год Организацией Объединённых Наций Международным годом квантовой науки и технологии в ознаменование 100-летия квантовой механики. Россия в этом плане пытается обогнать своих зарубежных коллег. 

«Из страны, которая была вне квантовой "борьбы", мы поднялись до уровня, когда Россия догоняет лидеров», – заявил недавно глава «Росатома» Алексей Лихачев, давпонять, что разрыв сокращается.

Ученые поставили задачу к 2030 году создать внелабораторный квантовый вычислитель и войти в топ-5 стран по мощности созданного у себя вычислителя (300 кубит). Одной из приоритетных сфер применения квантовых вычислений в будущем могут стать фармацевтика и медицина: появится возможность моделировать сложные молекулы при создании новых лекарств, получат развитие персонализированные медицинские технологии, позволяющие врачу в кратчайшие сроки разработать персональные рекомендации для лечения человека с учетом конкретных факторов его заболевания и особенностей организма.

Целевые ориентиры новой дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления» на 2025-2030 годы предлагается увязать с подходами к реализации квантового компонента нацпроекта «Экономика данных».

Премьер-министр Дагестана АбдулмуслимАбдулмуслимов еще в конце прошлого года говорил, что республика должна стать одним из основных участников нового национального проекта «Экономика данных». А в январе стало известно, что региону выделят 1,45 млрд рублей в текущем году для реализации нацпроекта. 

Сейчас в республике проводятсяисследования в области квантовых технологий, в частности, идет работа над сверхпроводниками. Однако, говорить о выдающихся открытиях в этой области нашими учеными пока еще рано. 

Достижений дагестанских ученых это не умаляет, более того, региону есть кем гордиться. Так, Заур Алисултанов в свое время стал одним из самых молодых докторов физико-математических наук в России и занимался близкими вещами, а также учил квантовой теории студентов ДГУ. 

Сейчас он работает в Московском Физтехе (МФТИ), является старшим научным сотрудником Центра теоретической физики МФТИ и ведущим научным сотрудником сектора теоретической физики ДФИЦ РАН.

На сегодняшний день Заур занимается исследованием свойств квантовых топологических материалов. Эти материалы могут стать надежной площадкой для реализации устройств с эталонными характеристиками, в том числе, элементов квантовых технологий с особой, топологической защитой свойств.

В интервью Алисултанов рассказал, что из себя представляет квантовый мир и в чем его особенности.

Что такое квантовая теория и что она объясняет? 

Физика — это наука, занимающаяся выяснением фундаментальной природы явлений в окружающем нас мире. Она изучает самые глубокие и общие причины различных явлений, а также выявляет закономерности, которым они подчиняются. Почему небо голубое, а закат красный? Как возникает молния? Как рождается цунами? Почему после дождя на небе появляется радуга? И т.д. Все эти и другие подобные вопросы относятся к физике. К концу 19 века физика считалась уже завершенной наукой. Концептуально всё было понятно и все явления, происходящие вокруг поддавались объяснению в рамках этой так называемой классической физики. Но в начале 20 века физики осознали, что не всё так просто, как кажется - на сцене появилась квантовая физика. Дело в том, что чуть больше 100 лет назад выяснилось, что на уровне атомов природа устроена не совсем так, как люди себе представляли. Точнее, совсем не так. За первые два-три десятилетия 20 века физики разработали совершенно новую картину мира - квантовую теорию, которая объясняла поведение атомов и элементарных частиц. Официально, годом рождения квантовой физики считается 1925 г. Так что в наступившем году отмечается столетие.

Каковы основные принципы квантовой теории?

Не вдаваясь в детали можно перечислить некоторые из базовых принципов квантовой теории. Они возникли после того, как в начале 20 века физики столкнулись с фундаментальными противоречиями между известной тогда классической картиной мира и экспериментальными наблюдениями. Эти принципы лежат сегодня в основе квантовой картины мира.

Во-первых, необходимо отметить т.н. корпускулярно-волновой дуализм. Он заключается в том, что на атомных масштабах элементарные частицы ведут себя как волны. Это означает, что в некоторых экспериментах частицы проявляют такие свойства, как дифракция и интерференция, присущие только волнам. В то же время волны в некоторых ситуациях проявляют свойства, присущие частицам. Так возник корпускулярно-волновой дуализм - важнейший принцип квантовой теории. Именно год осознания и формулировки этого принципа Луи де Бройлем и считается годом рождения современной квантовой механики - 1925 г. 

Эксперименты, демонстрирующие волновые свойства частиц (это прежде всего эксперимент с двумя щелями, в котором наблюдается дифракция электронов) привели также ко второму важному постулату - принципу суперпозиции. Очень грубо, он заключается в том, что квантовая система может одновременно находиться в нескольких состояниях, пока над ней не произведено измерение. Например, представим себе, что электрон налетает на непроницаемую стенку, в которой есть несколько щелей и вылетает на другую сторону. Если вы не проверяете (каким-нибудь детектором, например), через какую из щелей пролетел электрон, согласно квантовой теории, вы должны предположить, что он пролетел через все щели одновременно. Это и есть суперпозиция всех возможных траекторий электрона. Если же вы решили детектором проследить за электроном, то в результате такой слежки (измерения) "выживает" один из этих вариантов (одна из траекторий). Но результат такого "выживания" (по-научному - коллапса или редукции) абсолютно случаен. Оно происходит с некоторой вероятностью, которую можно вычислить (такую формулировку впервые предложил Макс Борн). Согласитесь, это очень странно. Но так устроена наша природа.

Следующий важнейший принцип состоит в том, что на атомных масштабах имеется фундаментальный, непреодолимый предел точности измерения состояния. Например, вы не можете сколь угодно точно измерить положение электрона в атоме. Это связано с тем, что на таких масштабах сама процедура измерения вносит существенную погрешность в измеряемую величину. Например, измеряя температуру тела градусником мы можем пренебречь изменением изначальной температуры тела, вызванное касанием градусника, т.к. масса градусника намного меньше массы тела. Но если мы этим же градусником мерим температуру объекта, размеры которого порядка или меньше его размеров, то само измерение приведет к большой погрешности, так что мы не сможем узнать истинную температуру. На атомарных масштабах измерения вносят необратимые погрешности, что приводит к фундаментальной неопределенности в природе. Это принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что, повышая точность измерения одной характеристики системы, вы неизбежно теряете точность другой характеристики этой же системы.

Наконец, одним из важнейших принципов философии квантовой картины мира является принцип соответствия Бора, который утверждает, что более фундаментальная теория должна содержать старую как частный случай. Квантовая теория содержит в себе классическую физику как частный случай, реализующийся для больших тел.

Чем квантовая теория отличается от классической физики?

Частично на этот вопрос ответ содержится в предыдущих ответах. Кратко и грубо, вся физика больших систем — это классическая физика. Движение планет, траектории снарядов, течение жидкостей и газов, распространение звука, сопротивление материалов и т.д. всё это - классическая физика. Квантовая физика начинается, когда вы изучаете мир на атомарных масштабах. И тогда в игру вступают необычные, непривычные для нас принципы, о которых я говорил выше.

Каковы некоторые реальные приложения квантовой теории?

Вообще, все электронные девайсы, которые мы используем ежедневно, работают по законам квантовой физики. Самый распространенный пример это транзистор - основа любой современной электроники. Именно число транзисторов на квадратный сантиметр определяет мощность процессора компьютера. Другой пример из той же категории - диод. Сегодня практически не осталось ламп накаливания, везде используются светодиодные энергосберегающие лампы. Солнечные панели, различные нанопокрытия, вычислительные машины, современные медицинские приборы и т.д. всё это работает на квантовых законах. Но, всё же, это не совсем то, что сейчас называется квантовыми технологиями. Эти технологии сейчас находятся на стадии разработки и на это тратится огромное количество ресурсов по всему миру.

Каковы некоторые распространенные неправильные представления о квантовой теории?

Не знаю обо всех неправильных представлениях о квантовой теории. Даже о классической физике у некоторых людей до сих пор неправильные представления. Например, в наше время существуют последователи т.н. теории плоской Земли. Хотя это полная чушь, но люди верят в это. Если в осязаемой и привычной для нас классической физике встречается такое, то что говорить о невидимой квантовой физике с её необычными законами. Когда говорят о неправильных представлениях, часто подразумевают различные парадоксы квантовой теории и неправильные их объяснения. Одним из таких парадоксов является парадокс кота Шредингера. С другой стороны, неправильные представления появляются при попытке интерпретировать квантовую теорию. Например, есть т.н. многомироваяинтерпретация квантовой теории (прим. – гипотеза мультивселенной Эверетта). Многие ошибочно считают, что согласно этой интерпретации, существует множество параллельных миров. Можно привести много таких ошибочных представлений. Но это не очень интересно. 

Что из себя представляют квантовые технологии?

Квантовые технологии (квантовые компьютеры, квантовая криптография) используют самую основу квантовой физики - принцип суперпозиции, о котором я говорил выше. Повторюсь, этот принцип состоит в том, что одна квантовая система может одновременно находиться в нескольких состояниях. К примеру, обычный(классический) транзистор — этофактически управляемый вентиль. С помощью электрического напряжения можно управлять пропускной способностью транзистора. Мы можем воспользоваться условными обозначениями: пусть 0 обозначает состояние, когда транзистор закрыт и не пропускает ток, а 1 - транзистор открыт и пропускает ток. Другими словами, транзистор может находиться в одном из двух состояний (0 или 1), т.е. представляет собой простейшую двухуровневую систему. Это физическая реализация классического бита. Используя много таких транзисторов и настраивая каждый из них определенным образом, мы можем генерировать информацию в двоичной форме: 1001010011... Меняя состояние транзисторов определенным образом, мы можем обрабатывать информацию. Так работает классический компьютер. Объем информации, т.е. длина такого кода из нулей и единиц, который может генерироваться в единицу времени, разумеется, зависит от числа транзисторов. Миллион транзисторов создают код, состоящий из миллиона нулей и единиц. Отсюда понятно, что чем больше транзисторов используется в процессоре компьютера, тем больше информации он может обрабатывать в единицу времени. Поэтому, более мощные суперкомпьютеры делают сложные вычисления быстрее обычных.

Квантовые технологии начинаются, когда мы вместо классического транзистора используем квантовый. Квантовый транзистор может находиться в обоих состояниях одновременно: 0 и 1. Такое состояние называется квантовым битом - кубитом. Если объединить два таких транзистора, то получится элемент, который может находиться в четырех состояниях одновременно: 00, 01, 10 и 11. Для сравнения, пара классических транзисторов может находиться в одном из этих состояний. Нетрудно понять, что для реализации всех четырёх состояний одновременно, необходимо взять 8 битов - по два на каждое состояние. Следовательно, два кубита содержат столько же информации, сколько восемь битов (по два транзистора на каждое состояние). Если взять три квантовых транзистора, то получится система, которая может находиться в 8 состояниях одновременно: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110 и 111. Т.е. три кубита содержат информацию, для которой в классическом случае понадобилось бы 24 транзистора (по три на каждое состояние). И т.д. Понятно, что несколько сотен кубитов могут содержать и обрабатывать такой объем информации (возведите число 2 в степень, равную числу кубитов), который превышает суммарный объем, соответствующий всем классическим компьютерам, существующим на нашей планете. А это значит, что квантовый компьютер сможет расшифровать любой секретный код и взломать самые надежные системы хранения информации. Вот что такое квантовые технологии. Это поистине атомная бомба 21 века!

Каким образом идет работа над реализацией квантовых технологий?

Эксперименты, связанные с квантовыми технологиями очень дорогостоящие. Используются дорогие материалы, а также очень дорогостоящее оборудование. Это связано с тем, что такие исследования проводятся в специальных условиях и требуют сверхточных измерений. А это означает, что необходимо использовать чистейшие материалы из редких элементов, сверхточные приборы, а работать надо практически при нулевой температуре (по Кельвину!) и в условиях идеальной чистоты и отсутствия даже малейших внешних возмущений. К сожалению, всё это - очень дорогое удовольствие и могут себе позволить лишь крупнейшие компании и ведущие научные центры. Сегодня созданием квантового компьютера заняты Гугл, IBM, кремниевая долина, российский квантовый центр, китайская академия наук и т.д.

Под реализацией квантовых технологий можно подразумевать, главным образом, решение следующих двух задач: 1) создание кубита на наиболее удобной физической платформе и с надежными характеристиками, а также системы из таких кубитов, способной вкупе выполнять элементарные логические операции - квантовый компьютер, 2) передача квантового состояния на большие расстояния - квантовая криптография. Все остальные квантово технологические задачи основаны на этих двух. Ряд научных групп по всему миру работают над этими задачами, используя различные физические системы в качестве платформ. На пути решения этих задач имеется ряд фундаментальных проблем, над решением которых и трудится всё международное квантовое сообщество.

В чем прикладная ценность этих технологий?

Квантовые или т.н. параллельные вычисления позволяют обрабатывать огромное количество информации за короткое время. Мы уже говорили, что это позволяет взламывать самые надежные базы хранения секретной информации и таким образом представляет большую угрозу для всего мирового порядка. Действительно, наши самые важные данные, начиная от номеров банковских счетов, паспортных данных, заканчивая паролями от социальных сетей и тайными переписками сегодня преимущественно хранятся в электронных базах данных. К сожалению, тех, кто желает получить доступ к вашей личной информации всегда будет достаточно. А сколько людей желают получить доступ к секретной государственной информации? Получить доступ, например, к информации о новых видах оружия у той или иной страны. Получить доступ к другим секретным документам. Всё это и многое другое оказывается возможным для того, у кого в руках окажется квантовый компьютер.

Однако, есть и позитивные новости на этот счет. Квантовые технологии позволят существенно продвинуться, например, в медицине. Разработка сложных лекарств, как правило, очень долгий процесс, требующий детального анализа всех возможных проявлений лекарства внутри организма. Квантовый компьютер поможет существенно сократить продолжительность таких разработок. Аналогично, создание новых материалов с заданными свойствами для использования в различных целях также значительно ускорится благодаря применению квантовых вычислений. Наконец, различные нейроморфные системы на основе квантовых логических элементов позволит человечеству шагнуть в совершенно новую технологическую эру - эру квантового искусственного интеллекта.

Какой прогноз? Когда произойдет «квантовый скачок» и эти технологии будут повсеместны?

Этого никто не знает. Считается, что в течении следующих 10-15 лет появятся первые реальные квантовые технологии, а повсеместными они станут еще через десяток лет.

Какую ценность представляют для Дагестана квантовые технологии, учитывая, что растет географический интерес к нашей республике, как к региону с выходом к прикаспийским государствам?

Дагестанцы, как и человечество в целом, должны понимать, что мы на пороге великих технологических революций. Абсолютно ясно, что каким бы количеством денег или природных ресурсов в современном мире не располагала страна, она обречена на гибель, если в ней нет достаточного количества высококвалифицированных ученых. Кто сегодня это понимает и действует правильно, тот и будет властелином будущего мира! Возможно, географическое положение тогда уже не будет иметь никакого значения.