Другой компьютер

Одна из самых горячо обсуждаемых на границе математики, физики и компьютерных наук тем – так называемый квантовый компьютер. Под ним понимается вычислительное устройство, работающее на принципах квантовой механики, с иначе построенной логикой и качественно большими возможностями. Реально ли его создание или он так и останется красивой математической идеей? Об этом мы беседуем с экспертом в области квантовых вычислений, автором идеи топологического квантового компьютера, профессором теоретической физики и компьютерных наук Калифорнийского технологического института Алексеем Китаевым. В сентябре 2008 года известный физик получил за свои теоретические работы стипендию фонда Макартуров, более известную как "Грант гениев". Наша беседа состоялась во время первой Международной конференции по квантовым технологиям, проходившей 13-17 июля 2011 года в Москве. На ней Алексей сделал доклад по теме "Майорановские кубиты" (о них речь пойдет ниже). Напомним, что для того, чтобы создать квантовый компьютер, для работы с информацией ученые должны научиться создавать и точно контролировать отдельные единицы квантовой памяти, которые называются кубитами (квантовыми битами). Интервью взяла Наталия Демина.

Алексей, со времени присуждения вам «Гранта гениев» стала ли идея квантового компьютера более реальной? Или цель кажется пока не очень достижимой?

В целом создание квантового компьютера – дело долгое. Я не знаю, стала ли она за 3 года более реальной, но что-то интересное, несомненно, произошло. В частности, то, что я рассказывал на конференции про майорановские моды. Появилась надежда их обнаружить. Так что наука идет вперед…

Как сделать квантовый компьютер – математически понятно, но есть несколько уровней проблемы, которые нужно решить. На дороге к настоящему квантовому компьютеру есть несколько барьеров. Нужно научиться делать кубиты (наименьшая единица информации и элемент для ее хранения в квантовом компьютере - "Полит.ру"), нужно научиться исправлять ошибки, затем нужно делать большое число кубитов, потому что компьютер должен содержать миллионы таких элементов, и все они должны быть надежны, т.е. это многоуровневая задача. Сейчас речь идет о том, чтобы найти физическую систему, на основе которой эту технологию можно начать разрабатывать, все в самом начале.

Что такое майорановские моды?

Это довольно сложно объяснить. Майорановские моды существуют парами. Такая пара – это необычная степень свободы, которая локализована не в одном месте, а в двух местах. Говоря об обычной степени свободы, я имею ввиду присутствие или отсутствие электрона: электрон либо есть, либо нет и, как правило, он находится в каком-то определенном месте. Но это не совсем так, когда у нас есть кусок сверхпроводника. Если куперовская пара (связанное состояние двух взаимодействующих электронов) туннелирует (просачивается) из другого сверхпроводника, то она может сразу раствориться в море других куперовских пар. Таким образом, «море куперовских пар» – нелокальный объект. Пара майорановских мод – это другой нелокальный объект, такой, что одиночный электрон распределяется между двумя модами, и невозможно сказать, где именно он находится. В этой ситуации можно создать систему, где кубит локализован не в одном месте, а в двух. Тогда если шум действует на каждое из этих двух мест по отдельности, то он кубит не портит. Чтобы его испортить шумом, нужно действовать сразу на обе точки. Поэтому он получается защищенным от шума.

Эта концепция получила свое имя в честь итальянского физика Этторе Майорана (Ettore Majorana, 1906-1938), ближайшего коллеги Энрико Ферми. Он изобрел новый тип частицы – майорановские фермионы. На основе уравнений Дирака он придумал новое решение, которое соответствует этому типу частиц. Есть предположение, что нейтрино является майорановской частицей, но в случае майорановских мод связь с физикой элементарных частиц довольно косвенная. Речь идет не об открытии новой частицы, а о создании необычной степени свободы в обычной системе, состоящей из электронов.

Это уже сделано в экспериментах или это теоретическая разработка?

Пока это теоретическая разработка и сейчас делаются эксперименты, но в них пока речи о кубитах не идет. Нам хочется обнаружить майорановские моды. Предсказаны определенные эффекты, которые характерны именно для майорановских мод.

Знакомый физик, узнав, что я буду с вами разговаривать, с иронией сказал: «Спроси, каким образом квантовый компьютер сохранит свою когерентность при обычной температуре и естественном шуме». Можете ли вы ответить на этот вопрос?

Это тяжело объяснить. В том проекте, над которым я работаю, защита от шума достигается путем создания нелокальных состояний. Как я уже пытался объяснить, один кубит распределяется между двумя точками в пространстве. Шум, как правило, локальный, и если что-то происходит, то процесс действует либо на одну точку, либо на другую и кубит не портит.

А с температурой проблемы уже решены? Возможен ли квантовый компьютер при комнатной температуре?

Я не думаю, что возможен в ближайшем будущем. Есть другие проекты, которые в принципе могут работать при комнатной температуре, в частности, на атомах азота в кристалле алмаза, но в любом случае при низкой температуре все делается легче. Я думаю, что сначала все будет сделано при низкой температуре. Т.е. пока идет речь о том, чтобы сделать квантовый компьютер любыми доступными средствами.

В одной из статей о вас написано, что к размышлениям о квантовом компьютере вас подтолкнула книга выдающегося российского математика Юрия Ивановича Манина «Вычислимое и невычислимое». Он в 1980 году выдвинул идею квантовых вычислений. Были ли какие-то другие книги, которые повлияли на вас в детстве и юности и подтолкнули к желанию стать ученым?

Да, конечно. Но если говорить про детство, то это были книги Мартина Гарднера, а потом, уже немножко позже Якова Перельмана «Занимательная физика», потом книги Ричарда Фейнмана. Книги Фейнмана может оценить человек, который уже изучил физику на школьном уровне.

Видите ли вы нехватку взаимосвязи между наукой и обществом? Люди не понимают, что происходит сейчас в науке, и наука все больше отрывается от понимания общества.

Да, есть такое. В этой проблеме есть две подпроблемы. Конечно, ученые должны обращать больше внимания на популяризацию науки. С другой стороны, задачи, над которыми ученые сейчас работают, очень тяжело объяснить популярно. Я даже не знаю, как к этой проблеме подойти.

Вы сами не собираетесь стать автором научно-популярной книги?

Нет, я не чувствую в себе таланта популяризатора. Для этого действительно нужен талант.

Если бы вы выступали перед жителями обыкновенного российского города, то чтобы вы им сказали в ответ на вопрос «Зачем нужны квантовые технологии?»? Что нам стоит ожидать от квантовых технологий и когда стоит ожидать реальных применений?

Я пока не вижу непосредственных практических применений. Меня больше интересовало использование квантового компьютера для решения других научных задач и разработки новых технологий. Одно из возможных применений – проведение расчетов различных материалов, структур и устройств, которые потом будут работать на практике, то есть квантовый компьютер будет применяться опосредованно, а не напрямую. Квантовый компьютер может также использоваться для криптографии и астрономии.

Есть много других возможных применений квантовых технологий, уже не связанных с квантовым компьютером. Например, сенсоры – в биологии и медицине нужны маленькие устройства. Но поскольку я теоретик, то я не очень хорошо в этом разбираюсь.

Можно ли будет сделать так, чтобы квантовые компьютеры на равных конкурировали с обычными? Они будут иметь какие-то супер-преимущества?

Квантовые компьютеры будут иметь преимущества лишь для специализированных задач.

Т.е. они обычные компьютеры не заменят?

Нет. Квантовые компьютеры нужны для решения очень специальных задач. Есть задачи, имеющие отношение к криптографии, к расшифровке и в этом смысле квантовый компьютер скорее вреден, чем полезен, потому что придется заменять используемые сейчас шифры. А полезные задачи связаны с моделированием физических систем как для техники, так и для, скажем, физики высоких энергий, где эксперименты провести сложно. Вместо этого мы могли бы их промоделировать и открыть что-то новое.

Говоря об использовании квантовых технологий в астрономии, что вы имели ввиду?

Я недавно слушал доклад физика Даниэла Готтесмана (Daniel Gottesman), и идея состоит в том, чтобы использовать какие-то простые элементы квантовой механики в астрономических интерферометрах. Обычно интерферометр работает таким образом: если есть один телескоп, то для того, чтобы получить большое разрешение, нужно очень большое зеркало, такое большое, что часто нереально его сделать. Можно объединить два телескопа, собирать свет от двух телескопов или от большего количества в одну точку и тогда разрешение увеличивается. При этом свет, фотоны, которые приходит непосредственно от звезды, собираются в одну точку. Идея состоит в том, чтобы наоборот распределять фотоны из центрального источника к независимым телескопам и там уже проводить измерения и эта схема может быть более гибкой, чем современная. Можно построить интерферометр с большой базой (т.е. расстоянием между телескопами); для этого требуется создавать запутанные состояния и распределять их между несколькими телескопами.

Сейчас вы работаете в США. Вам пришлось уехать из России по финансовым причинам?

Финансовые причины играли роль, но основная причина была другая. Я работал в институте им. Ландау, это было замечательное место в Черноголовке, это самое лучшее, что я видел за свою жизнь. Это была очень хорошая среда, и там можно было получить ответ на любой вопрос, потому что были специалисты практически из всех областей физики. Я уехал собственно потому, что постепенно люди разъезжались из России. К 1998 году уже было мало возможностей для научного общения. Я видел, что в США условия для занятий наукой будут лучше.

Сдавали ли вы знаменитый теоретический минимум?

Нет, я сдавал лишь один экзамен по теории поля. Я также пытался сдать теоретический минимум по квантовой механике, который давал право поступить в теоргруппу института им. Ландау. С первого раза не получилось, потом я сдал обычный вступительный экзамен...

Если говорить о финансировании фундаментальной науки, то можете ли вы сравнить условия работы в России и США?

Я не очень знаком с тем, как работает наука в России. Я общался с людьми, которые работают в России и в основном они недовольны существующей ситуацией, но в деталях я проблему не знаю. Насколько я понимаю, основное недовольство в том, что система организации науки сильно забюрократизирована и не учитывает реальные потребности науки.

Все ли идеально с организацией науки США?

Нет, конечно, не все. Идеально невозможно сделать, но там оно более-менее работает. Опять таки я не интересовался в подробностях, как работает американская система.

Вы tenure (пожизненный) профессор?

Да.

И еще получаете гранты?

Я получаю гранты, но получал их не индивидуально, а в сотрудничестве с другими людьми - в маленьком коллективе на 4 человека и в большем коллективе. Чтобы получать гранты индивидуально, для этого нужна большая работа, нужно как-то уметь писать заявки на грант, для этого нужны определенные навыки, у меня таких навыков нет, мне лень этому учиться, поэтому я стараюсь сотрудничать с другими людьми, чтобы писать заявки вместе.

Облегчило ли вашу научную деятельность получение «Гранта гениев»?

Да, конечно. Очень сильного влияния на мою работу это не оказало, потому что у меня надежное место работы и хорошая зарплата, но, конечно, у меня появились дополнительные возможности. И опять-таки отчасти поэтому я не очень заботился о получении нового гранта последние два года.

У вас не было желания принять участие в российском конкурсе мегагрантов? Слышали ли вы о нем?

Нет. Не пытался в этом участвовать, даже не думал об этом.

Вы не хотите работать в России, создать здесь лабораторию?

Нет, для этого нужно предпринимать очень большие усилия, я к этому не готов.

Большое спасибо за интервью.