Об отечественном развитии квантового компьютера, особенностях фононов, звучании квантовой системы и связи землетрясения в Японии с российскими учеными мы беседовали с профессором Сколтеха, руководителем лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Олегом Владимировичем Астафьевым.
Каким областям физики сегодня принадлежит такое же революционное значение, как ядерной физике в двадцатом веке?
—Вопрос хороший! Сегодня не наблюдаю открытий, меняющих представление о мире. В начале XX века квантовая механика перевернула фундамент физики. Сейчас этого нет. Полагаю, что сегодня — век технологий. Все открытое ранее используют и доводят до совершенства. Например, в девяностых годах был бум высокотемпературной сверхпроводимости, а сейчас делают провода и устройства на этой основе. То же самое касается квантовых технологий: лет 20–30 назад научились манипулировать одиночными квантами, а сейчас разрабатывают на этом приборы — квантовые компьютеры, сенсоры, метрологические устройства. Возможно, что-то прорывное происходит в космологии, где занимаются темной материей и энергией.
— В прошлом году вы разработали первый в России 12-кубитный сверхпроводниковый квантовый процессор. Что значимого произошло за последний год?
—Создан 12-кубитный процессор и продемонстрирован его функционирование. Главным было показать работу алгоритмов машинного обучения, например, обучение процессора распознаванию изображений рукописных цифр от нуля до девяти на стандартной базе данных.
В чём смысл выбранной задачи?
Это одна из простых задач машинного обучения. Разработали алгоритм, поняли, как его программировать и распознавать эти цифры. Другая причина заключалась в стремлении создать нечто полезное и применимое в жизни, а не бессмысленную абстракцию.
— Говоря «квантовый компьютер», обычный человек плохо представляет, что это тончайшие микросхемы в криостате при температуре, близкой к абсолютному нулю. Как собираются квантовые системы? Какие стадии работы для этого необходимы?
— Прежде всего скажу, что вМФТИ располагает всем необходимым для полного цикла работ с сверхпроводниковыми квантовыми системами и кубитами.
Здесь производят такие системы, загружают их в криостат, измеряют, демонстрируют работу и изучают физические эффекты. Цикл начинается с написания квантово-механической модели, описываемой гамильтонианом. Далее гамильтониан воплощают в электрическую схему. Разрабатывают чертежи для нанотехнологических процессов, где элементы цепи соответствуют функциям квантовых систем. После этого в «чистой зоне» методами нанотехнологий изготавливают чипы по рисункам слоёв.
— Сколько это занимает времени?
Специалистам со стажем создание чертежей и наладка занимают пару месяцев напряженной работы. Одна попытка изготовления занимает около десяти дней при удачном стечении обстоятельств, что случается нечасто. После этого систему помещают в рефрижератор, охлаждают и проверяют работоспособность схемы. В большинстве случаев с первой попытки всё работает не так, как задумано, или вообще не работает. Часто приходится много раз настраивать отдельные элементы, поскольку технология очень сложная.
— Какие трудности возникают при увеличении количества кубитов?
Много элементов создают сложную квантовую систему с хрупкими состояниями, легко разрушаемыми шумами и помехами. Некоторые шумы принципиально неустранимы, поэтому система нуждается в спокойной среде. При увеличении элементов растёт число источников шума, требуя пересчета схемы или новых решений для работоспособности.
Большое количество кубитов увеличивает сложность управления: нужна сложная электроника и программирование. При управлении одним кубитом другие не должны реагировать на это.
Добавление большего числа кубитов в квантовый компьютер – трудная задача?
Важно, чтобы работала система правильно, а не то, сколько в ней кубитов. Дополнительная интеграция увеличивает ненадежность системы. Все элементы не получаются сразу все. В больших процессорах внутри системы с множеством кубитов есть неработающие элементы. Увеличение интеграции повышает вероятность того, что система перестанет работать из-за некоторых элементов.
— Значит, когда Google показывает собранные воедино 72 кубита, это не имеет значения?
— Все это очень сложно оценивать однозначно. Можно создать много кубитов, но компьютер не будет функционировать как единое целое, вы ничего на нём посчитать не сможете. Поэтому интеграция сама по себе многое не раскрывает. Важно учитывать, например, такой показатель, как «квантовая глубина». Она учитывает не только число кубитов, но и то, как долго они могут работать и сколько операций выполнят, пока не разрушатся квантовые состояния.
Можн ли назвать нескольких известных мировых лидеров в этой области — научные центры, допустим? Поскольку известны в основном Google.
Целенаправленно делают процессоры, увеличивают число кубитов и активно это рекламируют. С ними непосредственно конкурирует IBM. Но если говорить о лидерах, я бы остановился на университетах: Делфтский технический университет (Нидерланды), Швейцарская высшая техническая школа Цюриха, Технический университет Чалмерса в Гётеборге (Швеция), Йель (Америка), Шанхайский университет и Научно-технический университет Китая (Хэфэй).
Несколько лет тому было много разговоров о квантовых компьютерах. Сегодня интерес к этой теме ослабел. Сейчас больше внимания уделяется нейросетям и генеративному искусственному интеллекту.
— Искусственный интеллектСегодня прикрылся одеялом поплотнее, потому что оно реально помогает.
—Он способен сформулировать вопросы к интервью с профессором МФТИ о квантовых компьютерах.
Он очень быстро меняется. Десять лет назад, чтобы посмеяться, можно было перевести фразу на английский, а потом обратно на русский с помощью автоматических переводчиков, и получалось смешно. Потом произошел скачок, и теперь они переводят лучше нас, и я иногда даже вставляю фразу в искусственный интеллект, чтобы он её поправил. Зачастую он формулирует мысль лучше. Поэтому ИИ захватил информационное пространство. От квантовых компьютеров ожидали быстрого результата, но этого не случилось, да специалисты и не ожидали. Однако сейчас много стартапов в области квантовых компьютеров. Так что в целом количество денег, вливаемых в эту область, растет. Я надеюсь, что и в России в ближайшее время будут активнее привлекаться деньги частных инвесторов.
—Так они же еще не работают?
— Именно эта трудность затрудняет инвестиции. Однако вложение средств необходимо, поскольку иначе упустим возможность приблизиться к уровню развития остальных стран.
Когда будет доступен квантовый компьютер?
В первоначальном виде в ближайшее время работать не будет, однако возможно неожиданные результаты, например, применение в машинном обучении. В настоящее время наше квантовое машинное обучение не имеет и пока не может иметь преимуществ перед классическим. Мы не конкурируем по быстродействию отдельных элементов или количеству логических элементов, но у нас есть потенциальное преимущество: большое гильбертово пространство, где некоторые алгоритмы могут оказаться эффективными именно на квантовых процессорах. Никто этого не знает, но можно надеяться на прорыв.
Перейдём же к основам. Рассказы о звуковом оформлении мне нравятся, всё необычно и интересно.
—Да, квантовые компьютеры широко обсуждаются, но наше направление, в частности сверхпроводниковые квантовые технологии, далеко не ограничено ими. Нас интересует квантовая оптика на искусственных квантовых системах, а именно сверхпроводниковых. Наши квантовые системы имеют набор энергетических уровней и ведут себя подобно естественным атомам.
Отличие от естественных атомов заключается в том, что наши системы относительно большие и работают в СВЧ-диапазоне, то есть характерные частоты переходов для них — гигагерцы. В оптике это видимый свет и частоты порядка тысяч терагерц. Так как у нас есть искусственный «атом», который можно спроектировать, создать и управлять им точно так же, как обычным атомом, то можно открыть учебник по квантовой оптике и воспроизвести ее на искусственных квантовых системах.
Но интереснее всего то, что наши системы обладают легко достижимой физически сильной связью с другими элементами.
— Почему это важно?
Это значит: взаимодействие (выраженное в частотах) нашей искусственной квантовой системы с любыми другими элементами намного превышает скорость распада (диссипации) в нашей системе. В оптике теоретически это возможно, и практически к этому приближаются, но очень сложно. Можно взять один атом и легко связать его с резонатором. Как говорилось ранее, можно проводить классические эксперименты из учебника по квантовой оптике, но уже на новом уровне с физически сильной связью к одиночной квантовой системе. Есть ряд работ по реализации фундаментальных эффектов квантовой оптики на одиночных квантовых системах: лазерный эффект, электромагнитно-индуцированная прозрачность, предельно простой квантовый усилитель — всё на одной квантовой системе, на одном искусственном атоме. Сейчас работаем над так называемым квантовым волновым смешением. Кажется, что квантовая оптика давно существует, но этот эффект до нас никто не наблюдал.
— То есть вы экспериментально подтверждаете теорию?
В настоящее время практикуется исследование эффекта четырехволнового смешения в оптике на нелинейных объектах. Если вместо нелинейного объекта использовать один квантовый объект, то проявляется новая и интересная физика. Группа осуществляет исследования этого направления практически единственная в мире. Совместно с Всероссийским НИИ автоматики имени Н. Л. Духова теоретики активно помогают группе, и вместе развивают это направление.
Другой пример, касающийся квантовой акустики, вы верно отметили. Можно привязать искусственный атом не к электромагнитным полям, а к акустическим. Вместо кремния подложку можно взять пьезокристалл, поместить на него искусственный атом и связать его с фононами — со звуком. Тогда можно будет демонстрировать квантовую оптику, но уже в звуковом диапазоне.
— Он будет звучать?
—Да! Только наш слух его не воспринимает из-за высокой частоты — это ультразвук. Всё же, это всё равно звук, и его можно измерить.
— С какого момента ведется работа по этой теме? Можно утверждать, что это сейчас грань фундаментальных исследований?
Идея возникла давно, первые реализации появились около десяти лет назад. Наша группа внесла важный вклад в это направление. Чтобы пояснить, одна из элементарных систем в квантовой оптике — атом, связанный с резонатором. У нас резонатором обычно служит отрезок копланарной линии пропускания. Когда соединили искусственный атом сверхпроводниковой квантовой системы с резонатором, это была значительная работа. Это произошло двадцать лет назад и тогда это был большой шаг вперед. Мы создали аналогичную систему: соединили искусственный атом с акустическим резонатором. Первыми в этом занялись несколько групп, но в итоге победили мы. Сложность заключалась именно в технологии.
— Что побуждало к борьбе? Почему этот вопрос так значим?
Это был важный шаг, потому что это фундаментальная система, на основе которой можно реализовывать разные физические эффекты и разрабатывать новые устройства. Это фундаментальная квантово-механическая система. Мы недавно сделали интересную работу: имея искусственный атом, связанный с акустическим резонатором, можно сконструировать акустический лазер. Лазер — сокращение от английского «light amplification by stimulated emission of radiation». Только здесь «light» нужно заменить на «sound», и будет не лазер, а сазер. Он не светит, а звучит. Лазерное излучение выражается в излучении акустических волн. Это само по себе интересно. Казалось бы, это система похожая, но если подумать, что это не свет, а звук, то теперь это буквально музыка.
С помощью искусственного атома, соединенного с резонатором, можно создать акустический лазер. Такой лазер будет называться не лазером, а сасером!
— Это очень интересно! Как вы определяете идею для реализации? Полагаю, что в фундаментальной области выбор никогда не бывает однозначным, в отличие от прикладной.
Выбирай то, что тебе просто интересно, а может быть, и полезно. В своё время, когда я работал в Японии, у меня было много идей. Всё приходилось реализовывать сам, и всегда мечталось, чтобы идеи воплощались в лаборатории. Строго говоря, я ушёл со своей позиции в Японии из-за предела роста для иностранцев. До определённого уровня можно дойти, но построить свою лабораторию там очень сложно.
— А в Англии?
В японской исследовательской лаборатории NEC я занимал должность, подобную ведущему или главному научному сотруднику. — В Англии предложили мне профессорскую должность, и я думал, что смогу реализовывать свои идеи. Это получилось, но не полностью. Группа сформировалась из хороших сильных ученых, и мы делали хорошие работы, например, по фундаментальному эффекту, важному для метрологии, о чём недавно опубликовали статью в Nature. Тем не менее, собрать настоящую сильную лабораторию из перспективной молодежи оказалось возможно только в России.
— Кто сейчас с вами работает? Что это за ребята?
В состав команды входят студенты и сотрудники Сколтеха и МФТИ. Мы сотрудничаем со Сколтехом по программе, руководимой профессором Валерием Рязановым. Студенты узнают о нашей науке и получают базовые знания. В лаборатории студенты, ещё будучи бакалаврами, а иногда с второго курса начинают работать своими руками. К моменту получения диплома они владеют многими навыками.
Какими знаниями должен обладать молодой человек, чтобы работать с квантовыми технологиями в вашей лаборатории?
Для работы необходимы инженеры и технологи высокого уровня, разбирающиеся в низкотемпературной и высокочастотной технике, способные профессионально программировать. Также важна глубокая познание квантовой механики. В мире немногие места могут похвастаться такими специалистами, как Физико-технический институт.
—А сколько в выпуске таких специалистов?
Разные пути выбирают выпускники Физико-технического института. Некоторые уходят в МИСиС, некоторые в РКЦ, а кто-то отправляется в другие организации. Но часть выпускников ежегодно поступает именно к нам.
—Этого достаточно?
В настоящий момент нас ограничивает не человеческий фактор, а технические возможности. Экспериментальная лаборатория функционирует, но криогенной установки имеется только одна, тогда как для эффективной работы требуются три, а лучше и больше.
—Их у нас делают?
У нас нет таких разработок. Разрабатывают, но пока далеко до этого. Это санкционные товары, но есть в Китае. Китай по квантовым технологиям тоже под санкциями, как минимум не меньше, чем мы, возможно даже больше. С другой стороны, у них много денег и много народа, поэтому импортозамещение происходит быстрее, чем у нас. Сейчас они сами производят рефрижераторы, которые Европа несколько лет назад перестала нам и им продавать.
—Расскажите, каким был ваш путь к этой научной области. В чём начинали? Что хотели изучать?
С детства мечтал заниматься наукой, мой путь был похожим на нынешний: базовый академический институт, диплом, работа там же. Зарплата начиналась малой, как и у меня в Институте общей физики Академии наук, сейчас – Института общей физики А. М. Прохорова РАН.
—А как вы выбрали само направление?
Я не сильно избирал, пошёл туда, куда пригласили, и случайно это оказалась оптика, которая мне нравилась. Сейчас всё странным образом вернулось к началу: занимаемся квантовой оптикой, но в СВЧ-диапазоне, на искусственных атомах. Тот опыт как-то сейчас мне помогает.
— Была ли популярной эта тема во время вашего обучения? Что считалось модным тогда?
Тогда физика высоких энергий считалась престижной. Я провел три-четыре года во ФИАНе и в Протвино, а потом пришел (можно сказать вернулся) в ИОФАН. В то время ИОФАН и ФИАН были почти одним институтом.
— И почему вернулись?
Сначала переехал — женился. Потом понял: физика высоких энергий — дело коллективное, как и любая «индустриальная» физика. А мне всегда хотелось работать самостоятельно, чувствовать ответственность за результат. Выбрал направление, где можно было самому планировать эксперименты, задавать задачи и их реализовывать.
— Не физику, а что ещё можно было бы делать?
Возможно, лишь программированием, но всё же считаю, что нет. Система в советское время была такой, что если ты побеждал на школьных олимпиадах — а я в родном Норильске побеждал и по физике, и по математике — путь был определён прямо в физику. Единственное, что я выбирал, это между… Предложения поступили из Новосибирска (физфаком университета) и Москвы (МФТИ). Однако, прямых авиарейсов из Норильска в Новосибирск не было, и путь лежал через Красноярск. В Москву самолеты летают прямыми рейсами. В итоге я оказался на МФТИ.
—Вы так хорошо подготовились к поступлению, что не испытывали трудностей при подаче документов в престижный институт?
Тогда прием был серьезным испытанием, ничего не гарантировалось. Я поступал в год Олимпиады-80. В Москве тогда три вуза проводили экзамены раньше: МГУ, МИФИ и Физтех. Из-за Олимпиады сдвинули сроки в двух вузах, а на Физтехе остались прежние, так как он подмосковный. Все желающие поступить на физику в эти вузы отправились туда, поэтому конкурс на ФОПФ (Факультет общей и прикладной физики) был девять человек на место. Но даже с пятёрками и прохождением по баллам нельзя было быть уверенным: нужно было пройти собеседование.
—И о чем вас спрашивали, не помните?
Я был радиолюбителем. В кружке много паяли радиоприемники. Когда спросили, как сделать самый простой приемник, не составило труда ответить — переделал их множество своими руками для развлечения и экспериментов.
— За вашу жизнь вы трудились во многих уголках мира: в России, на Западе и на Востоке. Можем ли мы утверждать, что по вашему мнению, организация науки наиболее эффективно построена где-то из этих мест?
В 1990-х годах множество российских ученых переехали на Запад, где пользовались большим уважением. Везде, куда приезжали учёные, возник популярный мем: «русский семинар». В мире такого нет, когда люди долго и с интересом, можно сказать с увлечением, задают докладчику вопросы о деталях его работы.
С появлением русских учёных на Западе возник популярный мем «русский семинар».
— Порой складывается впечатление, что дело может дойти до ссоры.
—Это не принято во многих культурах, например, в Японии и Англии. В советское время у академических институтов была функция: там работали специалисты по тематикам, и всегда можно было найти соответствующего и обсудить вопрос. Это насыщенная, профессиональная и открытая среда. Приехав в Японию, я обращался к специалистам для обсуждения идей. Представляю, что это было шоком, но мне это нужно было. После объяснения спрашивал что-то у него, а он отвечал: «Хорошо, я подумаю» — и уходил! Такого открытого общения, как у нас, там нет. Поэтому часто бывает так, что русские ученые в иностранном институте обсуждают темы друг с другом и тем самым продвигают их.
— Где было легче жить во всей вашей жизни? Может быть, какие-то привычки помогали?
В Японии пребывание было комфортным, а вот в Англии наоборот — неудобным. В целом мне атмосфера там не понравилась, жизнь показалась очень… провинциальной, темной. Всё функционирует недостаточно хорошо. Это, конечно же, моё личное мнение, с которым многие могут не согласиться.
— Куда уж страннее, чем то, что Япония словно другая планета, а её жители — как чужеземцы.
— Ну и да, и нет. Другое реагирование у них, да, но всё — от работы до быта — делают добросовестно, поэтому мне в Японии было очень хорошо. К тому же жена и дочки свободно говорят по-японски, что очень облегчало жизнь. Мне в этом отношении было немного неуютно, может, первые пару лет, но в какой-то момент я понял: мои проблемы с японским — вовсе не мои, а их. То есть когда необходимо и важно, они найдут способ донести, что хотят. С этого момента всё вообще наладилось.
Вы были в Японии во время землетрясения, повлиявшего на Фукусиму?
—В 2011 году я находился в городе Цукуба, много научных организаций там расположено. Сильные толчки начались во время семинара. Прервали его и вышли на улицу, как полагается. Трясло минут пятнадцать. Страха не было — здание лаборатории прочное. В Цукубе разрушений почти не было, проблемы и жертвы были на побережье из-за цунами в прибрежных городах, которые построены там, где селиться нельзя.
— Паника была какая-то?
—Интересный момент: паника была после землетрясения, но любопытно наблюдать, как разные народы себя вели по-разному. Китайцы и европейцы торопились и искали способ спастись. Российские ученые собирались вечерами, как в студенческие годы у кого-то дома, общались. Все сплотились, никто не бегал и не пытался выбраться. Американцы тоже, из тех, кого я знаю, не сильно паниковали. У японцев было уважение к тем, кто остался на месте.
В России вы стали жить с 2022 года. Что повлияло на это решение?
Российская лаборатория в МФТИ была построена еще в рамках программы «Топ-100». После я стал работать в Сколтехе и мне стало нужно определенное время находиться в России. В какой-то момент принял решение перейти в моем Лондонском университете на 50%, и тогда это было воспринято нормально. Где-то в августе 2022 года глава моего физического факультета позвонил и сказал, что сотрудники далеки от политики, но, тем не менее, чтобы у университета не возникло проблем, предлагают два варианта: либо возвращаться на 100%, либо на ноль. Я сказал: «Ну тогда ноль, потому что сильная молодая лаборатория у меня в России». Не мог ее бросить и не хотел. Помню, что когда все началось, и отменили рейсы из Англии, ребята меня спрашивали, вернусь ли я. Почему-то подумали, что могу остаться там. Ну я им сразу сказал: «Конечно, вернусь!»
Какие задачи вы намерены реализовать? Что желаете воплотить в жизнь?
—Задача — сохранять возможность заниматься наукой. Надеемся, появится дополнительное оборудование для расширения экспериментов в лаборатории. Ректор МФТИ оказывает поддержку в этом вопросе. Необходимы криостаты и электроника.
— Я слышала, что ваши работы могут помочь разгадать тайну темной материи. Что это значит?
Существует предположение о взаимодействии темной материи с нормальным веществом. Одна теория утверждает о её взаимодействии с испусканием фотонов в СВЧ-диапазоне. Для их обнаружения необходимы счетчики СВЧ-фотонов, разработка которых у нас пока не завершена, но идея вполне работоспособна.
Такие детекторы важны для исследований квантовой оптики в СВЧ-диапазоне. Сейчас мы детектируем электромагнитное поле, но не энергию напрямую — фотоны. Наша идея заключается в том, что специальная сверхпроводниковая наноструктура может быть изготовлена таким образом, чтобы детектировать одиночные СВЧ-фотоны.
— Работа как изменила ваше отношение к миру? Вы скорее идеалист или материалист?
Я бы предпочел сказать, что мировоззрение влияет на работу, а не наоборот.
—Как это?
В советские времена науку считали основой всего и уважали. Безусловно, считалось, что наука описывает окружающий мир. При взгляде с позиции материалиста или идеалиста, скорее идеалист. Ведь человек разумен, а как разум может возникнуть в неразумной Вселенной? Полагаю, если есть разум во Вселенной, а это экспериментальный факт, то Вселенная разумна. Возможно, Вселенная познаёт себя через человека. Вопрос веры никак не пересекается с наукой. Проблема возникает только тогда, когда наука переходит на поле религии и наоборот.
Публикация осуществлена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571 (а также во всемерной поддержки). Физтех-Союза).