Мы стали свидетелями второй квантовой революции, считает профессор физики Александр Львовский. Он аргументирует это тем, что человечество научилось управлять квантовыми системами на единичном уровне.
Тогда почему квантовый компьютер до сих пор не появился у каждого на столе и не воспроизводит музыку из «ВКонтакте» по невзламываемой квантовой линии связи? Об этом, а также о развитии российской науки и о том, что «круче» – технология блокчейна или квантов, – профессор рассказал лично.
Александр Львовский – д-р философии, профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express, популяризатор квантовой науки.
Интервьюер: Илья Лопатин
Респондент: Александр Львовский
Сегодня квантовый компьютер можно купить за 10+ млн долларов, что и сделала, например, Google. При том что подобный компьютер эффективен только в решении узконаправленных задач. На что рассчитывают покупатели, готовые выложить такую сумму?
Google купила «квантовый компьютер» канадской фирмы D-Wave. Это не универсальный квантовый компьютер, а так называемый quantum annealer – «квантовый отжигатель». Многие мои коллеги – специалисты-теоретики в области квантовой кибернетики – считают, это этот аппарат не имеет преимуществ перед классическим. Хотя Google и D-Wave показывают примеры конкретных задач, которые с помощью этого аппарата решаются быстрее, чем на обычном, классическом компьютере, оппоненты утверждают, что это потому, что классические алгоритмы просто не оптимальны. Другими словами, преимущество – иллюзия, возникающее в связи с тем, что мы не выжимаем из классического «железа» всё, на что оно способно.
Короче, идут научные споры. Мы, простые обыватели, от них выиграем в любом случае: либо у нас появятся квантовые компьютеры, либо значительно улучшатся классические алгоритмы.
А пока эти споры не разрешились, вопрос, есть ли у этого компьютера теоретическое преимущество перед классическим в принципе, отходит на второй план. Если с помощью этого аппарата здесь и сейчас можно решить задачу в сто или миллион раз быстрее, чем на классическом компьютере, то почему бы её так не решить?
Инвесторы вкладываются во многие проекты. Проект квантового компьютера – это high risk high gain. Понятно, что из этого может ничего не выйти, но если выйдет – выхлоп будет колоссальный (тысячи, а то и десятки тысяч процентов). Поэтому в среднем, по матожиданию, проект получается выигрышный, привлекательный для инвестиций.
В Гарварде создали 51-кубитный компьютер. Скажите, это относится ко второй квантовой революции или еще к первой?
Вторая квантовая революция – это способность управлять сложными запутанными квантовыми системами на уровне их индивидуальных компонентов (ионов, фотонов, атомов). Это основное отличие от первой квантовой революции – изобретения макроскопических устройств, которые, хотя и используют квантовую физику в основе своей работы, не способны к индивидуальному контролю. Транзисторы и лазеры привели к появлению интегральных микросхем, компьютеров, Интернета, мобильной связи – в общем, сделали мир таким, каким мы его знаем сейчас. А от второй квантовой революции мы ждём ещё большего!
Гарвардский эксперимент – безусловно, элемент второй квантовой революции. Однако это не квантовый компьютер, а так называемый квантовый симулятор. Другими словами, это не вычислительное устройство, а некая физическая система, позволяющая эмулировать более сложные физические системы, в частности, физику твёрдого тела.
Устройство, созданное в Гарварде. Проект возглавляли Михаил Лукин и Маркус Грейнер из Гарвардского университета, а также Владан Вулетич из MIT
Что ограничивает рост количества кубитов при создании квантовых компьютеров? Откуда возникают цифры 5, 50, 2000? Состоит ли проблема именно в количестве кубитов?
Да, все меряются количеством кубитов… На самом деле – это лажа, потому что важно не количество, а качество. Современные кубиты крайне «непрочные»: они взаимодействуют с окружающим миром и теряют свою квантовую информацию очень быстро. С их помощью нельзя осуществлять даже самые простые квантовые вычисления. Для этого нужно сначала сделать то, что мы называем логическим кубитом, который может бесконечно долго поддерживать квантовую информацию путём коррекции ошибок. Для того чтобы сделать один логический кубит, необходимы десятки или даже сотни физических.
В классических компьютерах тоже такое есть. Там постоянно происходят ошибки, и если их не корректировать, то информация будет пропадать мгновенно. Но поскольку там есть алгоритмы коррекции, то мы не видим ошибок. Мы видим, что информация хранится бесконечно долго.
В квантовых вычислениях пока такой технологии нет, потому что качество физических кубитов недостаточно для реализации даже одного логического. Поэтому все разговоры о количестве кубитов надо воспринимать аккуратно.
Мы регулярно слышим о запуске квантовой линии связи, основанной на квантовой запутанности. Насколько она применима с коммерческой точки зрения?
Бóльшая часть современных квантовых линий связи не основывается на квантовых запутанностях. Это хорошо, потому что запутанность – довольно сложное явление: его трудно получить и применить. Современная квантовая связь, как правило, использует слабые лазерные импульсы – такие, что в каждом отдельном импульсе содержится в среднем меньше одного фотона. Иногда один фотон проскакивает, тогда на нём можно записать какую-то информацию и переслать на какое-то расстояние. В таком случае можно быть уверенным, что если этот фотон кто-то украдёт, то у него не получится воспроизвести его в таком же квантовом состоянии. На этом основана секретность квантовой коммуникации.
Проблема современной квантовой связи в том, что она действует только на коротких дистанциях. Почему? Потому что потери в волоконных линиях порядка фактора двойки на 10-15 км. Это означает, что, к примеру, в линии из Москвы до Петербурга лишь один из 1018 – миллиарда миллиардов – импульсов достигнет своего назначения. С такой скоростью, конечно, невозможно передавать разумные объёмы информации.
В обычной, классической линии связи тоже присутствует эта проблема, но она решается с помощью повторителей или усилителей. Каждые несколько десятков километров ставится усилитель, который повышает уровень оптического сигнала до первоначального. С квантовой линией этого сделать нельзя, потому что такой усилитель будет не отличим от шпиона: он изменяет фотоны и делает такие же. Поэтому нужно изобретать другую технологию – так называемый квантовый повторитель. Чтобы его реализовать, как раз и нужна квантовая запутанность. Точнее, два явления – квантовая телепортация и квантовая оптическая память.
Почему блокчейн уязвим перед квантовыми технологиями?
В блокчейне используется криптографическая хеш-функция: каждый последующий блок содержит хеш-функцию предыдущего, благодаря чему сейчас невозможно изменить информацию, хранящуюся в одном из блоков, не нарушая целостности всей цепочки. Квантовый компьютер может сделать вычисление хеш-функции обратимым, то есть сможет подобрать изменение в блоке таким образом, чтобы хеш не изменился.
Есть и ещё одна уязвимость, характерная именно для криптовалют: цифровая подпись. Любой, у кого есть квантовый компьютер, сможет цифровую подпись подделать, то есть, например, сделать себе крупный денежный перевод от имени какого-нибудь миллиардера, используя его цифровую подпись. Таким образом, как только будет изобретен универсальный квантовый компьютер, у биткоина, да и у всех современных криптовалют стоимость сведётся к нулю.
Недавно мы в Российском квантовом центре придумали способ устранить эти уязвимости, применяя технологию квантовой коммуникации к блокчейнам. Я думаю, что, безусловно, блокчейны и криптовалюты имеют будущее – просто они будут меняться и синтезироваться с квантовыми технологиями в процессе развития.
Предположим, физики зашли в тупик в исследовании микромира. Что произойдёт быстрее – приход человека к пониманию, что дальше он ничего не понимает и не изобретёт, или невозможность профинансировать глобальный суперпроект, который окажется в 10 раз дороже адронного коллайдера?
Я считаю, что за ХХ век физика ушла далеко вперёд по сравнению с другими науками. Развитие науки всегда диктовалось практическим применением. А сейчас уровень знаний физики на много порядков выше, чем то, что можно использовать на практике. Можно ли узнать ещё больше? Безусловно, но для этого действительно надо либо гигантские телескопы, либо дорогостоящие ускорители строить. Вопрос – а зачем? Праздное любопытство?
Поэтому мне кажется, что в XXI веке физика замедлит свое развитие и уступит таким наукам, как кибернетика и биология, потому что в этих науках тайны прямо перед нашим носом: как устроены клетки, как лечить болезни, наследственность и т.д. В технологических вопросах – кибернетика на стыке с биологией. Как работает мозг, как мы мыслим, как заставить машину мыслить, как человек? Эти научные задачи чрезвычайно интересные и актуальные, а главное – их решение позволяет разрабатывать реальные продаваемые приборы, которые улучшат жизнь людей.
В одном из своих интервью вы заметили, что развитие отечественных ученых тормозит изоляция в НИИ. Справедливо ли это высказывание для зарубежной науки? Или это касалось только науки в России?
Российская научная система – наследие советской, которая была заточена под холодную войну. В те времена она хорошо выполняла свои функции: советская наука котировалась в мире на высочайшем уровне. А когда холодная война закончилась, резко ослабла государственная поддержка науки, уменьшилось её финансирование. В итоге российская наука унаследовала от советской не лучшие, а худшие черты – в частности, свою изоляцию. Люди многие годы занимаются одним и тем же, очень слабо взаимодействуют с окружающим миром и с мировой наукой. Одна из причин – российский учёный получает постоянную позицию на раннем этапе своей карьеры. К примеру, аспиранту гарантировано рабочее место до конца жизни. Получается, что нет смысла узнавать что-то новое, доказывать миру, что ты чего-то стóишь – можно сидеть в этом НИИ, получать небольшую зарплату и жить, как обычный человек.
В этом плане мне больше нравится подход международной науки, где человек до 30-40 лет не имеет постоянной позиции. В результате он мотивирован продолжать поиски, работать. Если учёный перестанет выдавать что-то новое на-гора – он просто окажется на помойке. Да, такой прессинг – это неприятный двигатель, но это двигатель не только человека, а самой науки.
Кроме того, в зарубежной системе человек, как правило, осуществляет различные этапы своей карьеры – до получения постоянной позиции – в разных группах, университетах, зачастую в разных странах. В итоге каждый является носителем уникального опыта и уникальных идей, которые может синтезировать, как никто другой.
Онлайн-образование может быть эффективно как альтернативный источник знаний?
Я считаю, что онлайн-образование – это будущее образования. Я сам сейчас осваиваю машинное обучение по онлайн-курсам. Метод хорошо работает – готов сам засвидетельствовать эффективность.
В институте стоит лектор в аудитории на 200 человек, что-то вещает, а студенты спят. Какой в этом смысл? Происходит передача информации в одну сторону, без обратной связи.
Понятно, что без лекций не обойтись. Но тогда почему бы не найти самого лучшего лектора в мире, который будет читать онлайн не для 200 человек, а для 20 тысяч человек. Слушатель может остановить его лекцию в любой момент, обдумать; послушать материал, когда удобно, когда есть настроение. Роль профессора и преподавателя в университете изменится: это уже будет не вещание, а интерактивное образование – семинары, на которых студент может непосредственно пообщаться с преподавателем, перенять его опыт и получить ответы на свои вопросы.
Онлайн-образование эффективно в сочетании с очным. Я надеюсь, что концепция изменится именно в эту сторону: больше взаимодействия, а лекции – в онлайн.
Какая у вас мотивация выступать с публичными лекциями?
Это имеет отношение к теме изоляции, о которой вы спрашивали. Учёный вообще имеет тенденцию запираться в своей комфортной башне из слоновой кости – исследовать то, что интересно ему и двум-трём людям во всём мире, публиковать статьи, которые только эта пара-тройка и прочитает. Вариться в своём соку. А если мы такими становимся, перестаём общаться с миром, то какая от нас польза? Поэтому считаю, что наша обязанность – нести науку в массы. Не только ради альтруистической цели народного просвещения, но и чтобы не забывать спрашивать себя, какую пользу несёт наша деятельность прогрессу и человечеству.
О чём будет ваша научно-популярная лекция на Quantum Technology Conference 1 марта?
В первой части лекции скажу пару слов об основах квантовой физики на основе фотонов – элементарных частиц света. А ещё о квантовых парадоксах. Мне интересна эта тема. Она показывает, насколько удивительна квантовая физика, насколько невероятные последствия имеют кажущиеся простыми изменения в концепции мира.
Вторая часть выступления будет посвящена примерам квантовых технологий: квантовым вычислениям, квантовой криптографии, квантовой хронометрии и датчикам.
