Личный опыт: как молодые российские физики разрабатывают квантовые компьютеры
Карьера ученого-физика привлекательна по многим причинам, и не в последнюю очередь потому, что на переднем крае этой науки происходит много такого, о чем еще недавно можно было только мечтать. Например, квантовые компьютеры: все слышали об этих супермашинах, за секунды решающих задачи, на которые у обычных компьютеров уходят дни, — а вот Алеся Соколова, студентка первого курса магистратуры МФТИ, непосредственно участвует в их разработке. Мы поговорили с ней об этом чуде техники, о современной физике и о непростой, но интересной жизни молодых ученых.
В октябре 2019 года журнал Nature сообщил, что в Google смогли добиться впечатляющего технологического прорыва: квантовый компьютер за 200 секунд решил задачу, на которую у обыкновенной машины ушло бы 2,5 дня (по информации IBM). ЭВМ нового типа способны обрабатывать массивы данных значительно быстрее — они проверяют весь список сразу, в то время как в классической модели используются алгоритмы, основанные на переборе.
Революционная технология вызывает интерес и у российских ученых. В частности, этой проблемой занимается лаборатория искусственных квантовых систем Московского физико-технического института, где работает Алеся.
Она окончила бакалавриат Физтеха по специальности «Прикладная математика и физика» на кафедре квантовых наноструктур, материалов и устройств. После летней стажировки в швейцарском университете EPFL наша героиня вернулась в Москву, чтобы продолжить обучение в alma mater в магистратуре факультета общей и прикладной физики.
Алеся выбрала эту дисциплину, потому что желает приносить пользу человечеству и разобраться, как устроен мир:
«Когда ты изучаешь физику, то, во-первых, постоянно узнаёшь что-то новое. Это просто прикольно. Во-вторых — лучше понимаешь, по каким законам функционирует наш мир».
Лаборатория, в которой работает Алеся, входит в состав проекта «Лиман» от Фонда перспективных исследований. Полное его название — «Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов». Этот проект объединяет Физтех, МИСиС, Российский квантовый центр, ИФТТ в Черноголовке и Новосибирский государственный университет.
Помимо обучения в университете, студенты занимаются исследованиями в лабораториях, которые, как и своих руководителей, выбирают самостоятельно. Это часть образовательного процесса и способ приносить пользу науке еще до получения диплома.
Перед тем как сделать свой выбор, Алеся изучила сайты заинтересовавших ее лабораторий, узнала подробнее, чем они занимаются, погуглила их статьи, поспрашивала сотрудников. Кое-кто из ее однокурсников уже там работал. По словам Алеси, очень важно серьезно отнестись к выбору лаборатории и научного руководителя. На предыдущем месте ее шеф мало контактировал со студентами, и это создавало сложности, работать было трудно. Для продуктивной научной деятельности очень важно, чтобы руководитель уделял время своим подопечным и помогал им разбираться с возникающими проблемами.
По пути в лабораторию мы проходим мимо места испытания квадрокоптеров. Сейчас тут пусто. Наверное, очень весело так проводить рабочее время:
Алесина группа изучает кубиты — искусственные атомы из сверхпроводников. Из них будут делаться квантовые процессоры для умных машин нового поколения.
У каждого из участников научной группы есть свои задачи.
Алеся исследует лазерное излучение из искусственного атома.
Кубит подключается к резонатору и ведет себя так же, как обычный атом, встроенный между двух зеркал. И тот, и другой испускают много фотонов. Постепенно это создает сильное электромагнитное поле. В классическом лазере часть такой световой энергии просачивается за пределы зеркал (и возникает знакомое каждому из нас излучение). Алеся пытается выяснить, что произойдет с искусственным атомом в подобных условиях.
Пока непонятно, как именно это будет использоваться, но в процессе таких исследований могут быть получены фундаментальные знания, которые пригодятся при разработках новых компьютеров.
«Законы квантовой механики отчасти противоречат нашему интуитивному пониманию мира. Например, представим себе горку с ямами. По ней движется шарик. В классической механике он или прокатится по всем ямкам, или, если скорость достаточно высокая, какие-то из них перепрыгнет. А в квантовом мире шарик не обязательно будет преодолевать все углубления, а может, например, время от времени проходить сквозь стены.
Мозг эволюционно не приспособлен для понимания законов квантовой механики, поскольку для выживания нам достаточно наблюдать за миром и представлять, как он работает на макроуровне.
Потому изучать квантмех особенно интересно: он очень отличается от того, что мы видим в обычной жизни, но необходим для понимания устройства мира. Плюс я еще и экспериментатор, так что вообще могу всё это чуть ли не потрогать!»
Квантовая монета на столе в состоянии суперпозиции не лежит ни на орле, ни на решке. И лишь пристальный взгляд заставит ее принять одно из двух положений, причем заранее невозможно сказать какое. Мы не способны определить состояние квантовой системы, не потревожив ее. Такое взаимодействие можно сравнить с прикосновением: нельзя дотронуться до предмета рукой, не передав ему толику своего тепла, запаха или влаги. Этот объект немного меняется после нашего с ним контакта.
Зачем нужны квантовые компьютеры
«Желание принести пользу человечеству — одна из причин, почему я выбрала именно эту лабу и эту область исследований. Квантовые компьютеры сейчас считаются очень перспективным направлением, и в случае, если они заработают, такие технологии определенно принесут пользу. Для меня важно видеть результат своей деятельности и понимать, как его можно применить. На кафедре физики элементарных частиц я не до конца представляла себе, кому и зачем нужны плоды моей научной работы. Это, наверное, основная причина, почему я оттуда ушла», — говорит Алеся.
Квантовые компьютеры (как и те, что мы используем дома и на работе) состоят из транзисторов, а они, в свою очередь, — из базовых ячеек.
Обычные биты могут быть равны или нулю, или единице, а квантовые (кубиты) принимают любое значение в этом диапазоне (например, 0,5).
Кроме того, последнее имеет вероятностный характер.
В микромире работают квантовые законы, так что моделировать эти процессы на обычных компьютерах, используя формулы классической физики, сложно и долго.
А еще машины нового образца находят применение в расшифровке данных. Для кодирования сообщения используются сложные числа, представляющие собой произведения двух простых (так называемая факторизация). Зная, что результат равен 24, мы не можем определить пару множителей. 6 и 4? Или 3 и 8? Для расшифровки эта информация необходима. Новые чудо-машины будут способны взламывать такие коды. Однако уже сейчас разработаны (и находят коммерческое применение!) квантовые криптографические системы, обладающие надежной защитой даже от всесильных ЭВМ будущего.
В лаборатории
Сейчас полдень. В лаборатории, помимо нас с Алесей, два человека. Я ожидала увидеть более интровертных и гораздо менее дружелюбных людей.
Алесины коллеги совсем не похожи на персонажей «Теории Большого взрыва» — ее научрука скорее можно сравнить с Тони Старком, чем с Шелдоном Купером.
Большую часть своего рабочего дня наша знакомая проводит за компьютером, выполняя расчеты и изучая материалы.
Коллега Алеси аспирант Алексей получил сообщение: пресс-служба газеты «Поиск» просит комментарий эксперта для статьи о батарейке на квантовых эффектах. Сотрудники лаборатории говорят, что из-за хайпа вокруг этой темы ученым часто приходится давать разъяснения СМИ. Некоторые злоупотребляют таким вниманием и рекламируют свои исследования, преувеличивая их значимость.
Стараниями медиа множатся недостоверные сведения. Например, недавно в интернете распространялась фейковая новость о создании квантовой машины времени. Толика правды в этом есть: ученые Физтеха, действительно, произвели реальный расчет, но ничего похожего на описанные в фильмах «Назад в будущее» и «Иван Васильевич меняет профессию» устройства изобретено пока не было. Исследователям удалось вернуть кубиты в их предыдущее состояние — и интернет запестрел кликбейтными заголовками. Неосторожное высказывание ученого может разлететься по сети, как эхо в горах.
Тем временем сотрудники лабораторий занимаются не такими революционными, но оттого не менее интересными и более сложными для понимания задачами. Алеся рассчитывает, сколько фотонов должно накопиться в квантовом лазере, чтобы приборы могли засечь и измерить его излучение. Такие вычисления требуют большой оперативной памяти, потому наша героиня устанавливает программу, чтобы сделать это на компьютере, находящемся в МИСиС.
Параллельно Алеся запускает софт для расчета параметров лазерного излучения — его амплитуды и частоты.
Пока она была занята, я побеседовала с Алексеем.
О судьбах современной науки
В науке сейчас не так просто открыть что-то действительно революционное. Ученые, как правило, больше не пытаются оспорить ничего из основных положений современной физики. Например, даже существование гравитационных волн, которое недавно подтвердилось, было предсказано еще сто лет назад.
Раньше свет считали потоком частиц, но потом его волновую природу описали уравнениями Максвелла. С развитием квантмеха так же, сквозь лупу дуализма, стали рассматривать и электроны, и атомы, и более крупные единицы. Мнения физиков по отдельным аспектам не совпадают, но в целом никто не спорит с тем, что квантовая механика позволяет описать все существующие объекты.
Современное научное знание можно представить в виде планеты Сатурн, где ядро — набор основополагающих концепций, которые принимают все ученые. Его окружает защитный пояс из экспериментов и идей.
Обычно новые опыты только подтверждают развитые научные теории, но со временем накапливается всё больше противоречивых данных, которые в рамках существующей концепции объяснить не удается. Когда их количество достигает критической массы, происходит пересмотр положений, изначально составлявших ядро научного знания. Так появилась квантовая механика. При этом Эйнштейн, например, ее не принял и до конца жизни не верил в существование электрона.
Во второй половине прошлого века произошла так называемая первая квантовая революция: были изобретены полупроводниковые приборы, на основе которых работают все современные компьютеры. Своими уникальными свойствами такие материалы обязаны совокупному действию многочисленных квантовых частиц.
Сейчас назревает вторая революция в этой области. Она случится, когда квантовые компьютеры станут способны выполнять полезные на практике задачи.
Только теперь будут использоваться не коллективные квантовые явления, а одиночные, как если бы мы взяли отдельный атом и научились им управлять. Примером такой системы как раз и является кубит.
Многие исследования в современной квантовой механике — технические. Ученые не пытаются опровергнуть существующую теорию, а ищут пути для того, чтобы использовать ее на благо человечества. Пока подобные технологии применяются только в криптографии — для создания невзламываемого кода. Поиск по большим массивам данных, возможно, станет практически мгновенным. Квантовые компьютеры позволят моделировать молекулы, из которых будут создаваться революционные лекарства, и новые материалы, например высокотемпературные сверхпроводники — металлы, пропускающие электричество без потерь даже при обычной температуре. Возможно, благодаря этому у нас появятся супербыстрые поезда на магнитных подушках.
Еще одно направление исследований — попытка объединить квантовую физику с общей теорией относительности и создать единую «теорию всего». Пока достичь этого не удается.
«В целом в науке с пользой для человечества достаточно сложно. Как недавно сказал астрофизик Батыгин в интервью Дудю, 99% работы приводит в никуда.
Ты не знаешь, что из того, чем ты занимаешься, реально окажется нужным кому-то. Поэтому важно получать удовольствие не только от результата, но и от самого процесса. Даже если ты внесешь вклад во что-то значимое с вероятностью всего 1%, математическое ожидание твоей полезности всё равно очень большое с учетом того, что наука в целом остается одним из главных триггеров развития человечества», — рассуждает Алеся.
Проекту, в котором работает наша героиня, три года. Он должен закончиться в декабре, и сотрудники лаборатории довольны положением дел. Впереди новые горизонты. Большинство участников уже устроили на другие гранты, чтобы сохранить кадры для грядущих больших квантовых строек.
Сейчас сотрудники лаборатории готовят контрольный эксперимент. Они выполнили алгоритм Гровера, который применяется для поиска на больших массивах данных. Когда проект был еще на бумаге, ожидалось, что результаты эксперимента будут полезны. С тех пор прошло немало времени, многое изменилось, и сейчас их опыт уже не так актуален, но его всё равно нужно завершить, написать методики, подготовить документацию и протокол и отправить материалы в головную организацию.
Лаборатория в подвале
После обеда Алесин научный руководитель Глеб отводит меня в лабораторию. Это отдельное помещение находится в подвале, потому что там меньше вибраций, которые могут создать помехи в работе устройств.
Первое, что замечаешь, когда входишь туда, — громкое жужжание охлаждающих систем — криостатов.
Температура в них −273 °C. Внутри находятся исследуемые объекты — различные сверхпроводящие устройства на кремниевых чипах, в том числе кубиты.
Для того чтобы квантовая система нормально функционировала, она должна быть изолированной и чистой — следует исключить влияние электромагнитных полей, температуры и других факторов внешней среды.
Если увеличить кубит под микроскопом, мы увидим каркас из алюминия на кремниевой подложке. Оксид кремния, который может на ней образоваться, будет менять электромагнитное поле. Из-за размера кубита это нельзя исправить после производства, потому такой сценарий необходимо предотвратить еще на этапе изготовления.
С интересом рассматриваю инструменты, напоминающие содержимое чемоданчика в гараже у моего папы. Глеб объясняет: ученым многое приходится делать вручную — заказывать оборудование долго, а то, что приходит, нередко нужно подгонять под наши реалии с помощью имеющихся инструментов.
Приборы для измерения и контроля кубитов производятся в США. Российские аналоги дороже, поскольку рынок маленький. Криостат стоит 25 млн рублей, векторный анализатор — 4 млн.
На видео изображено, как прибор измеряет параметры электромагнитного излучения, пропускаемого через чип, на котором установлен кубит. Он показывает, сколько энергии отразилось, а сколько прошло.
Около шести часов вечера рабочий день заканчивается.
В лаборатории нет строгого распорядка — люди приходят в удобное им время, но при этом нередко что-то доделывают дома после работы.
Часть сотрудников учится и остается здесь после занятий.
Работа в науке и деньги
Проекты, подобные тому, которым занимаются Алеся и ее коллеги, в основном финансируются государством. Министерство обороны выделяет средства на оборудование, а Фонд перспективных исследований оплачивает труд ученых — 15 млн рублей в год на всех.
Средний оклад — около 100 тыс. рублей, это довольно много для отрасли. В других местах он нередко составляет всего 30 тыс.
Алеся живет на зарплату от кафедры РКЦ (40 тыс.) и стипендию магистранта МФТИ (10 тыс.).
Вечером Алеся садится писать телеграм-бота для не связанного с физикой проекта. После моего ухода ей нужно будет дочитать статью об измерениях излучения из квантового лазера и о том, как этот процесс зависит от условий внешней среды.
«Может возникнуть вопрос (который иногда я задаю сама себе): если так важно приносить пользу человечеству, почему бы просто не заниматься эффективным альтруизмом, например устроиться в благотворительную организацию? Во-первых, потому, что для меня ценно познание как таковое. А во-вторых, если ты выбираешь путь в экспериментальной квантовой физике, то получаешь шанс внести вклад в развитие человечества на более фундаментальном уровне. Например, твои исследования могут способствовать изобретению чего-то, что кардинально повлияет на ход прогресса. Так было, например, с электричеством и полупроводниковыми транзисторами, которые есть в каждом персональном компьютере».