Интервью

«Кванты — это поезд, который еще можно догнать». Интервью с 27-летним профессором МФТИ Алексеем Федоровым

Интервью
Мария Соснина
Мария Соснина

Корреспондент RB.

Анна Тимофеева

Мировая квантовая гонка набирает обороты. Китай и США меряются мощностями (количеством кубитов) своих квантовых процессоров. Страны Европы вкладывают в новые технологии миллиарды евро.

В России все пока не так стремительно: первый квантовый компьютер здесь появится в лучшем случае в конце 2021 года. Его созданием занимаются научные институты, объединенные в Национальную квантовую лабораторию (НКЛ). В числе создателей квантов — Российский квантовый центр (РКЦ), частный институт, где ставят эксперименты всемирно известные ученые.

Корреспондент RB.RU Мария Соснина отправилась в Сколково, чтобы встретиться с Алексеем Федоровым, который в 17 лет начал заниматься квантовой физикой, в 26 стал профессором МФТИ, а сейчас участвует в создании первого в России квантового компьютера.

«Кванты — это поезд, который еще можно догнать». Интервью с 27-летним профессором МФТИ Алексеем Федоровым

Содержание:

 

«Двигать технологии должны частные инвестиции»


— Все, кто смотрел сериал Devs («Разрабы»), знают, что квантовый компьютер выглядит как гигантская оранжевая штуковина в стиле стимпанка. Это правда? 
 
— Ха-ха, это правда, но стоит иметь в виду, что так выглядят лишь определенные типы квантов. И вся эта красивая, но достаточно громоздкая конструкция — не сам квантовый компьютер, а его часть, которая позволяет обеспечить его функционирование. 


Квантовый процессор может быть достаточно миниатюрным. К нему проведены провода, и он находится в специальных условиях, которые позволяют изолировать его от внешнего воздействия. Грубо говоря, представьте космический корабль, у которого все отсоединяется и остается только кабина с пилотом. Так и с квантовым компьютером, только «кабина» у него величиной всего, например, в один квадратный сантиметр, даже если кубитов (элементарных элементов квантового компьютера) много, потому что они достаточно небольшие.
 

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер из фантастического сериала Алекса Гарленда «Разрабы»

 

Но меня лично сильнее захватывают менее очевидные платформы для вычислений. Например, если создать оптический потенциал для удержания атомов, которые висят в вакууме, то такая система может быть квантовым компьютером. Это потрясает воображение, потому что драматическим образом отличается от того, к чему мы привыкли за десятилетия развития твердотельных компьютерных платформ.
 
— Какие квантовые компьютеры из увиденных вас поразили?
 
— Я видел в Гарварде квантовый симулятор, из которого потом создали квантовый компьютер на основе нейтральных атомов. Но в тот момент я еще не знал, что будет такой прорыв. Он выглядел как оптический стол, где атомы были загружены в специальную ловушку, оптика контролировала их состояние. 


Вообще мне нравится посещать лаборатории, связанные с квантовыми коммуникациями. Они выглядят очень технологично. Классная лаборатория создана нами совместно с МИСиС в рамках Центра НТИ по квантовым коммуникациям. Она передовая как с научной, так и с образовательной точки зрения. Я видел лабораторию в Шанхае — мозговой центр для создания квантовой коммуникационной сети Китая. Там тоже очень круто. 
 
— Ученых из других стран легко пускают в такие лаборатории? 
 
— Здесь обычно нет секретов, это обмен опытом. Посмотреть на установку и все-все про нее вдруг понять — крайне сложно. Научное сообщество достаточно открыто. Думаю, что коммерческие компании, в рамках которых происходят исследования, более закрыто подходят к своим разработкам. Но если вы посещаете университеты, вам многое расскажут. 
 
— Я правильно понимаю, что в России сейчас цель номер один — создать квантовый компьютер?
 
— Как ученый я думаю, что важно создать научную среду, в которой может появиться квантовый компьютер или другая прорывная технология. Ведь цель — не просто разработать дорогостоящий прибор.


 
Россия должна перейти из категории стран, пытающихся сократить отрыв в этой области, в некую самодостаточную экосистему. Это как при создании атомной бомбы, хотя я очень не люблю эту аналогию. Важно создание критической массы научной мысли, системы, взаимодействующей с миром. Чтобы приглашать людей, обмениваться идеями, знаниями и технологиями. И только потом появятся квантовые компьютеры, алгоритмы, программное обеспечение, индустрия и все, что с этим связано. 

— Когда такая экосистема будет создана?
 
— Думаю, что это вопрос трех-пяти лет — при условии высокой концентрации сил на этой задаче.
 
— В случае с суперкомпьютерами у России практически не было шансов перестать быть догоняющей страной. Почему с квантами ситуация другая?
 
— Про отставание подробно рассказывал Жорес Алферов. Как один из столпов российской микро- и наноэлектроники, он говорил, что различные неприятные обстоятельства, в том числе развал Советского Союза, привели к тому, что в принципе конкурентоспособная на тот момент область электроники к концу 80-х — началу 90-х практически полностью развалилась. В итоге на самом пике развития ПК и суперкомпьютеров у СССР, и затем России, фактически не было возможности конкурировать со странами-лидерами. 

 

 Алексей Федоров на фоне Российского квантового центра (РКЦ)

 Алексей Федоров во дворе Российского квантового центр/Фото: Маша Парфитт

 

С квантовыми компьютерами ситуация иная. Кванты начинают экспоненциальное развитие прямо сейчас. Это поезд, который отдаляется от нас, но пока не с катастрофической скоростью. И есть шанс, что он не умчится, как в случае с классическими компьютерными технологиями. К тому же у России сейчас есть хорошая база: научная школа, известное во всем мире физическое образование, активные научные группы. Но, повторюсь, нужна серьезная концентрация усилий — в плане привлечения ресурсов и людей.
 
— Про ресурсы. В Штатах бюджет общей квантовой инициативы больше 1 млрд долларов. 

 

— Я думаю, даже больше, если считать все вместе — частные, государственные, инвестиционные деньги. Это, конечно, колоссальные суммы. В России на все квантовые технологии (в рамках дорожных карт — прим. RB.ru) выделен 51 млрд рублей на пять лет, из них 24 млрд — на квантовые вычисления, включая бюджетные и внебюджетные средства. В США другая реальность, экономика там позволяет больше пробовать и ошибаться. 

 

Лично я считаю, что у нас двигать технологии, в особенности кванты, должны не только бюджетные средства, но и частные инвестиции. Российский квантовый центр быстро развивался и развивается во многом потому, что в него инвестирует «Газпромбанк». Мы являемся частным научным институтом, у нас есть акционер, который наполняет часть нашего бюджета. Это помогает быстро двигаться в каких-то направлениях. Не ждать, пока нам по какому-то гранту можно будет купить оборудование, а быстро приобретать его и начинать работать. Здесь же важна не только сумма, а насколько быстро и эффективно ее можно расходовать. Когда речь идет о бюджетных деньгах, делать это, по очевидным причинам, очень быстро не всегда получается. В будущем квантовые компьютеры будут использоваться в нефте- и газодобыче, логистике, финансах, информационных технологиях. Поэтому правильный формат, на мой взгляд, — поддержка квантовых вычислений со стороны крупных игроков этих индустрий. 
 
— Когда появится первый российский квантовый компьютер?
 
— Думаю, в конце этого года или в начале следующего мы увидим прототипы квантовых компьютеров на разных платформах. Но маленькие компьютеры в России уже есть — это и симуляторы, и процессоры. Например, команда Алексея Устинова (научный руководитель группы по сверхпроводниковым кубитам в РКЦ, профессор МИСиС и университета Карлсруэ) показала двухкубитный квантовый процессор. Кажется, что это мало, но это важный шаг, поскольку, когда реализуется квантовый компьютер, все, что нужно уметь делать, — одно- и двухкубитные операции. 
 Лаборатория Российского кванторового центра
Лаборатория российского квантового центра/Фото: пресс-служба РКЦ 

 

 
Группа Николая Колачевского (руководитель группы прецизионных квантовых измерений) работает над созданием ионного квантового компьютера — в совместных лабораториях ФИАН и РКЦ. И если год назад там практически ничего не было — только одиночные ионы, которые использовались для сверхточной метрологии, — то сейчас уже есть достаточное количество ионов, проводятся однокубитные операции и ведется работа над двухкубитными. И не за горами тот момент, когда мы сможем программировать такие системы. В МГУ тоже ведется активная работа по квантовым вычислениям на нейтральных атомах и фотонах.

 

 — Опишите процесс создания квантового компьютера. 
 
— Возьмем, к примеру, совместную лабораторию ФИАН и РКЦ, в которой строится ионный квантовый компьютер. В прошлом ноябре там началась масштабная экспериментальная работа. Команда закупила оборудование, спроектировала схему установки, просчитала отдельные модули. А затем за полгода создала экспериментальную установку. Каждый модуль — это набор взаимосвязанных оптических и электронных компонентов. Последовательно реализовывались отдельные модули, тестировались, улучшались. Сейчас они уже успешно функционируют — можно ловить ионы и выполнять однокубитные операции. Следующий шаг — двухкубитные операции и, соответственно, реализация квантовых алгоритмов. 

Такие квантовые компьютеры можно программировать и удаленно. У нас есть для этого программное обеспечение. Компьютер в лаборатории является сервером. И я могу со своего ноутбука из офиса РКЦ в Сколково подключиться к этому серверу, написать определенный алгоритм — и он будет выполнен на квантовом компьютере. 

— Где закупается оборудование для установок?
 
— По всему миру, в большом количестве стран: Германии, Китае, США. Российское оборудование тоже есть, и его, конечно, проще купить. 
 
— Международные санкции мешали?
 
— Конкретно в этом проекте — не очень сильно.

 

   Зачем нужна Национальная квантовая лаборатория?
Чтобы организовать и ускорить работу над созданием квантового компьютера. НКЛ появилась в ноябре 2020 года и объединила несколько университетов и научных центров (РКЦ, МИСиС, МФТИ, ВШЭ и других). Другие задачи НКЛ — помощь компаниям, которые хотят экспортировать свои разработки за рубеж, привлечение в Россию ученых мирового уровня, строительство инфраструктуры для проведения исследований. НКЛ была создана в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям (в составе проекта «Квантовые технологии» нацпрограммы «Цифровая экономика»). За развитие квантовых вычислений в России отвечает госкорпорация Росатом.

  

«Я выучу все, что вы скажете. Из квантовой физики»

— Вы стали профессором Физтеха в 26 лет. Что для этого нужно сделать?
 
— В МФТИ появилась кафедра Российского квантового центра, и ее возглавил Георгий Шляпников, руководитель моей диссертации. На кафедре открылись позиции, и я стал преподавать. У меня довольно много студентов, один бакалавр, два магистра первого года, два — второго, а еще три аспиранта. 
 
— Знаю историю, что в 2011 году вы написали письмо Александру Львовскому, одному из самых известных ученых в области квантовой физики. Вы просили взять вас на стажировку в РКЦ. Вам было 17 лет, вы только начинали учиться — даже не на физика, а на инженера. Что Львовский в вас нашел?
 
— Я, надо признаться, занимался в высокой степени self-promotion по электронной почте, когда мы общались. И сказал ему следующее: я на третьем курсе и у меня нет опыта. Но я всему научусь и, если надо, могу, условно, на год оставить учебу в Бауманке и выучить то, что вы скажете. Львовский ответил, что его очень впечатляет, что я такой молодой. Мы долго обменивались письмами. Он сказал, что эффективнее всего будет изучать физику без отрыва от моего образования и что я могу приехать на летнюю стажировку в лабораторию в Калгари. Я досрочно сдал сессию и, как появилась возможность, поехал. Именно в этой лаборатории — очень продвинутой и крутой — я впервые соприкоснулся с экспериментальной квантовой оптикой. 

 Алексей Федоров с коллегами в лаборатории в Калгари в 2011 году

Алексей Федоров с коллегами в лаборатории в Калгари в 2011 году/Фото: личный архив героя
 
— В 17 лет — на третьем курсе. Как так получилось? 
 
— Я учился в самой обычной школе в Люберцах, пошел туда чуть раньше одноклассников. В эти годы экспериментировали с четвертым классом, и моя мама была просто в шоке. Она видела, что мы первый, второй и третий класс идем по старой программе, а теперь предстояло учиться еще один год. В итоге ее переживания вылились в то, что я перескочил четвертый класс и оказался в девять лет в пятом. 
 
Я не очень понимал в конце школы, чего мне хотелось. Мой старший брат учился на инженера в МГТУ имени Баумана, и это сильно повлияло на мой выбор. И когда я туда поступил, скоро понял, что мне чего-то не хватает. Я стал искать интересный для себя проект на стыке математики, физики и информационных технологий. И в итоге вышел на РКЦ и Александра Львовского, которого завалил электронными письмами. 
 
— В семье еще есть физики?
 
— Нет. Папа — историк, кандидат наук. Мама — инженер по образованию и работала в школе, в которой я учился. А мой прадед был лауреатом Сталинской премии за открытие нового типа пороха. Его звали Владимир Алексеевич Ждановский. Он учился в Санкт-Петербурге, затем работал над теорией горения и взрыва и во время войны занимался новыми типами вооружений. У меня есть посвященная ему вырезка из газеты «Правда». 

  «Я не очень понимал в конце школы, чего мне хотелось»

«Я не очень понимал в конце школы, чего мне хотелось» / Фото: Маша Парфитт
 

— Дома висит его портрет?
 
— Да, только не висит, а стоит на полке. 
 
— Вы — физик-теоретик. Что это значит?
 
— Теоретики познают мир через создание и изучение математических моделей явлений природы, проводят определенные расчеты и описывают закономерности. А физики-экспериментаторы — через создание специальных установок для изучения этих явлений. Такое вот разделение труда. И самый приятный для теоретика момент, когда можно описать некую модель как физическое явление, потом прийти в лабораторию, рассказать о ней экспериментатору, и тот спустя какое-то время увидит то, что ты предсказал теоретически. 
 
— Почему вы стали именно теоретиком?


— Если честно, я пытался быть экспериментатором, но у меня не очень хорошо получилось. Я понял, что, когда другой человек делает эксперимент, а я стою рядом и говорю, какую ручку покрутить, — это более эффективный способ задействовать мои способности.

— Что за неудачный опыт с экспериментами?
 
— На стажировке в Калгари я два месяца пытался сделать эксперимент с переменным успехом. Что-то получалось, что-то нет. В мой последний день в лаборатории эффективность эксперимента составляла 85 процентов. Этого не хватало для сбора данных, когда нужно хотя бы 90 процентов. Я всеми возможными способами пытался добиться результата, но не получалось! А на следующий день, когда я уехал, ребята собрали данные с эффективностью 94 процента. В этот момент я впервые подумал, что деструктивно влияю на эксперимент. Есть такой «эффект присутствия» у теоретиков. 


Второй случай произошел уже в Москве. Я устроился в РКЦ, и мы собирали здесь лабораторию — продвинутый аналог канадской. И во время первого эксперимента я понял, что мои коллеги делают все то же, что и я, гораздо быстрее и эффективнее. У них руки правильно двигались. Мне, чтобы линзу подвинуть, нужно было долго думать и долго делать. А ребята с правильными мозгами и руками просто брали, крутили, двигали — и все работало. Но я очень ценю свой экспериментальный опыт. Он дает мне колоссальное понимание того, насколько теоретические идеи вообще реализуемы. 
 
Алексей Федоров и Чарльз Беннет, легенда квантовой физики

 Алексей Федоров и Чарльз Беннет, легенда квантовой физики/Личный архив героя

 

— Как строится ваш рабочий день? 
 
— Утро провожу продуктивно для творчества, работаю над научными результатами или статьями. Стараюсь не назначать совещания и встречи до обеда. На свежую голову хорошо воспринимается новая информация — и потом удерживается в течение дня. По утрам всегда первым делом читаю сайт arxiv.org, препринт научных публикаций. Конкретно разделы про квантовые газы (quantum gases) и квантовую физику (quantum-ph). После обеда — встречи, общаюсь с ребятами из моей научной группы или сотрудниками лабораторий. Еще я в среднем раз в неделю читаю где-нибудь лекцию. Тема квантов сейчас приобретает колоссальную популярность, на нее большой запрос. 
 
— Вам предлагали работу в других странах?
 
— Когда я заканчивал аспирантуру, несколько раз ездил в Китай, и там были довольно интересные предложения, которые приходят до сих пор. В Европу тоже звали, последний раз — в Швейцарию. В этом году получил несколько предложений от стартапов в США. Но я довольно много поездил перед тем, как начать полноценную работу в РКЦ. Был на стажировке в Калгари, потом в Гарварде. Учился в аспирантуре во Франции, в университете Париж-Юг. И мне после этого очень хотелось что-то сделать в России.
 
— Какие ученые совмещают работу в РКЦ и за границей?
 
— Их много. Александр Львовский — в Великобритании, Алексей Устинов — в Германии, Алексей Желтиков и Алексей Акимов — в Штатах (Техасе), Жора Шляпников — во Франции, Алексей Кавокин — в Англии и Китае. Я работаю фултайм в России. 
 
— Квантовый центр построен по модели западного университета — с большим конкурсом на место, сменяемостью сотрудников, — в отличие от тяжеловесных институтов РАН, где люди работают десятилетиями. Как вам удается находить общий язык?
 
— Наше взаимодействие никогда не было легким. В Академии наук все очень разнородное, это большая система. Например, в структуре РАН есть упомянутые мной ФИАН, с которым мы очень давно работаем и где у нас имеются совместные лаборатории, и ФТИАН. А есть институты, с которым мы исторически никогда не соприкасались. Важно подчеркнуть, что в институтах РАН есть определенное количество конкурентных людей, которые способны проводить исследования на мировом уровне. 

Если брать мою позицию как ученого, то есть такая фраза — пусть растут сто цветов. Наука должна быть и в институтах РАН, и в частных центрах, как РКЦ, и в университетах. Разные формы должны конструктивно конкурировать между собой, от этого ситуация только лучше. Главное, чтобы ресурсов на всех хватало и они были адекватны получаемым результатам. 
 
— Но вы выглядите такими любимчиками — и внимания вам больше, и Росатом всегда готов на помощь прийти. Неужели в РАН не ревнуют?
 
— Думаю, что РКЦ, несмотря на свою не самую традиционную для России форму организации науки, просто удачно занял нишу, которой не было — успешного частного научного института, мобильного и динамичного. На позиции у нас есть конкурс, существует высокий ценз на научные результаты. Это делает РКЦ только сильнее. Мы часто думаем о своей конкурентоспособности, сравнивая себя с другими квантовыми центрами в мире — Сингапуре, Европе и так далее. То есть с теми, к кому мы ближе по формату. 
 

В стенах РКЦ ежедневно приходится принимать непростые решения

В стенах РКЦ ежедневно приходится принимать непростые решения/Фото: Маша Парфитт

 

— Сколько иностранных языков вы знаете?
 
— Знаю английский. Французский, к сожалению, забыл, но сразу вспоминаю, когда оказываюсь в парижском такси. 
 
— У вас в кабинете стоит велосипед. Ездите на нем до Сколково?
 
— Год назад я приехал на нем в офис, а уехать так и не смог из-за погоды. Потом понял, что на машине перемещаться гораздо удобнее. Теперь его судьба — стоять здесь. Из спорта у меня футбол два раза в неделю. На остальное просто не хватает времени. 

«Нужны люди, которые мыслят не вторично»


— Регулярно появляются новости, что ученые создали очередной самый мощный квантовый компьютер, в котором больше кубитов, чем в предыдущем. Для обывателей это сенсация, а для других ученых?
 
— Конечно, нет. Действительно важные прорывы происходят не так часто, хотя бывают ситуации, которые по-настоящему удивляют. На arxiv.org собираются препринты всех научных публикаций. Перед тем, как попасть в журнал, ученые в большинстве случаев публикуют свои результаты там. И когда я прочитал, что китайцы сделали 56-кубитный сверхпроводниковый квантовый процессор, и увидел коллектив авторов, я не удивился, потому что знал, что последние пять лет они работали над этим. Очень редко научные прорывы делаются группами, про которые никто не знает. 
 
— Китай и США. Кто из них лидер в квантовых технологиях?
 
— Кажется, что Штаты, но вот Китай берет и создает 56-кубитный процессор, перевоспроизводит эксперимент Google, делая его лучше (речь о китайском Zuchongzhi, который состоит из 66 кубитов, но для решения задачи ученым понадобились только 56 — прим. RB.ru). Думаю, по квантовым вычислениям впереди США. А по коммуникациям — Китай. Его квантовая сеть — самая крупная в мире. 
 
— Ощущение, что эти страны для нас абсолютно недосягаемы. 
 
— Мы будем в числе отстающих до тех пор, пока у нас будет парадигма, что есть отстающие, а есть лидеры. Пока мы не будем нацелены на создание каких-то оригинальных направлений и идей, которые придуманы и разработаны в России. Как делать новые типы кубитов, как создавать удачные квантовые алгоритмы. 


Для того, чтобы такие идеи возникли, нужны люди, которые мыслят как-то по-другому, не вторично. И тогда этот котел начнет правильно бурлить. 

 Дверь кабинета

Дверь кабинета / Фото: Маша Парфитт
 
— Квантовая гонка выглядит как соревнование по количеству кубитов. При этом есть идея, что их количество не говорит о качестве. 
 
— Действительно, когда говорят о квантовых компьютерах, чаще всего во внимание принимают количество кубитов. Представим, что у нас большое количество кубитов, которые живут недолго (разрушаются за короткое время, теряя квантовые свойства). Получается, за время, пока они функционируют, можно совершить очень маленькое количество операций. Тогда ничего интересного с ними за это время не сделаешь. Поэтому «вычислительный объем» такой системы достаточно мал. 
 
Другая крайность: кубитов, допустим, всего три, но живут они сколько угодно. Но три кубита — это мало, и мы можем такую систему полностью воспроизвести на классическом компьютере. Поэтому квантовое превосходство находится в той области, где кубитов достаточно много и где они живут достаточно долго.
 
Хороший figure of merit для квантовых компьютеров — это отношение времени их жизни к времени операций. Тогда можно понять, сколько за время существования кубитов можно провести операций. Это характеризует, насколько индивидуальные кубиты хорошие. Проблема создания метрики для квантовых компьютеров существует по причине их разнообразия. Есть разные типы компьютеров, разные модели вычисления, на которых они работают, поэтому здесь простых ответов не существует.

 

   Квантовое превосходство: кто впереди?
Ученые в мире работают над созданием квантовых компьютеров на четырех основных платформах: сверхпроводниковых цепочках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Но популярнее всего именно сверхпроводники. На их базе созданы самые мощные современные квантовые компьютеры (если считать по количеству кубитов):
  • Zuchongzhi — 66 кубитов (USTC, Китай)
  • Hummingbird — 65 кубитов (IBM, США) 
  • Sycamore — 54 кубита (Google, США)
  • Tangle Lake — 49 кубитов (Intel, США) 
К концу 2021 года американская компания Rigetti собирается представить мультиплатформенный квантовый процессор с 80 кубитами, а IBM закончит работу над компьютером Eagle (127 кубитов). Кроме того, IBM объявила, что в 2022 году создаст 433-кубитный процессор, в 2023 году — 1121-кубитный. У Google более захватывающие планы: к 2029 году компания хочет создать коммерческий квантовый компьютер с миллионом кубитов, с которым можно будет взаимодействовать через облако. Для сравнения, сейчас пионером облачных вычислителей является канадская компания D-Wave с ее 5000-кубитовыми квантовыми компьютерами Advantage.

В России сегодня есть прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Согласно дорожной карте развития квантовых вычислений, к концу 2024 года отечественные разработчики создадут квантовые процессоры на четырех платформах. Компьютеры будут состоять из 30-100 кубитов. 

 

— За какими компаниями вы особенно следите?

— Мне нравится, что делает D-Wave Systems, хотя ее очень сильно критикуют. Поскольку она появилась слишком рано со своими заявлениями, которые когда-то воспринимались дико, а сейчас уже нормально. Если зайти к ним на сайт, поражает количество кейсов, когда квантовый компьютер использовали для задач, имеющих практические последствия. Например, решили пусть маленькую, но осмысленную оптимизационную задачу. Или собрали маленький инвестиционный портфель. 

 

— И очевидно, что для этого нужен был именно квантовый компьютер?

— Не совсем. Там не было какого-либо экономического превосходства, которое этот квантовый компьютер давал, но сам факт, что его попробовали для решения прикладной задачи, очень важен. Потому что получается, что вся алгоритмическая база уже разработана. И когда появятся более зрелые квантовые компьютеры, все, что уже наработано, можно использовать в дальнейшем, решая по мере появления железа настоящие прикладные задачи. 

Сейчас мы наблюдаем прорыв альтернативных платформ, на которых строятся квантовые компьютеры. Многие эксперты отмечают, что с 2010 по 2017 годы доминировали твердотельные системы. Это были разработки в том числе гигантов, таких как Google и IBM. Позже вперед вырвались нейтральные атомы и ионы, и именно в ионах за последние три года произошел значительный скачок. Появились стартапы — например, IonQ, один из первых квантовых единорогов с капитализацией более 2 млрд долларов, и известная компания Honeywell. Ворвались в гонку нейтральных атомов такие компании как Pasqal в Европе (в июне подняла 25 млн евро, чтобы построить 1000-кубитный квантовый процессор — прим. RB.ru) и QuEra в США, которые показали, что технологии прекрасно масштабируются и есть определенный класс задач, где они могут демонстрировать квантовое превосходство. А недавно о своих планах создать квантовый компьютер с миллионом кубитов объявил стартап PsiQuantum из Кремниевой долины.


«Многие рок-звезды квантовой физики уезжают за границу»


— Вам пишут письма такие же амбициозные 17-летние?

— Постоянно. «Я прочитал про вас, понял, что мне интересны квантовые технологии. Хочу к вам в научную группу». Люди спрашивают о стажировке или постоянной работе. Можно поступить в РКЦ на магистерскую программу. К сожалению, способных студентов к нам приходит намного больше, чем мы можем переварить. Каждую неделю общаемся как минимум с одним молодым талантом. Большинство крутых ребят стараемся брать, хотя конкурс довольно большой.

— То есть студенты имеют все шансы получить у вас работу? 

— Конечно, ведь это самое продуктивное время, чтобы начать работать. У студентов не зашорены мозги, они смотрят свежим взглядом. Есть ребята, у которых к 4-5 курсу уже есть несколько публикаций в ведущих научных журналах. Бывает, что мимо проходит парень, вы перекидываетесь парой слов — и ты понимаешь, что это человек, мыслящий абсолютно нетривиально. Он приходит в группу и за несколько лет достигает очень крутых результатов. Многие из таких уезжают за рубеж. Но что поделать. Возможно, это будущие рок-звезды квантовой физики, и они строят свою карьеру так, как считают нужным. 

— Отговариваете от отъезда? 

— Никогда. Я считаю, что это индивидуальное решение каждого. Ведь отъезд — это история не про деньги, а про опыт, желание попробовать что-то новое и оказаться частью более широкой среды. Мне кажется, лучшее, что я делал в момент, когда люди говорили о том, что хотят уехать, — спрашивал, как помочь и сделать так, чтобы человеку было интересно продолжать с нами взаимодействовать. Например, вернуться обратно после аспирантуры.

— Что скажете про утечку мозгов в зарубежные лаборатории?

— Мне не нравится этот термин. Думаю, здесь важно понимать не сколько уехало, а кто уехал и кто приехал. Вот во Франции или Германии есть утечка мозгов? Или в Китае? Думаю, что оттуда в Штаты уезжает очень много специалистов. Вопрос же в том, как создать условия, чтобы люди вернулись. В этом смысле в России есть и отток, и приток. 

 Физики шутят: попытка объяснить квантовую запутанность тем, кто не в теме

Физики шутят: попытка объяснить квантовую запутанность тем, кто не в теме

 

Например, недавно я узнал, что несколько людей, стоявших у истоков развития квантовых вычислений, уехали в Китай. Уже немолодых. Вот это считать утечкой мозгов? С одной стороны, если бы они остались, то могли бы принести еще больше пользы. С другой же, они поехали и поработали совместно с китайскими коллегами, появились какие-то новые результаты, что классно для мирового научного сообщества. 
 
— Но это не отменяет того факта, что из России уезжает много специалистов.
 
— Понимаете, надо отпустить историю про то, что люди уезжают. Они уезжали, уезжают и будут уезжать, это нормально. В физике остались самые сложные задачи, в первую очередь — в фундаментальной. Невозможно придумать способы их решения, не изучая опыт всего мира. Не поняв, как люди мыслят и работают в Европе, Канаде или Китае. Только поработав в разных местах, ты становишься уникальным сплавом жизненного опыта и различных научных школ. После чего можешь вернуться в Россию и создать нечто, чего здесь никогда не было. А можешь всю жизнь вариться в одной и той же системе и быть лишь частью того, что уже придумано. 


Поэтому для меня параметр утечки вообще не важен. Если наших людей берут на классные позиции за рубежом, это демонстрирует только тот факт, что у нас очень конкурентная система образования. Как бы ее ни критиковали. Важно, чтобы у нас были яркие кейсы, когда люди приезжают или возвращаются. 

Например, вы знали, что лауреат Нобелевской премии по физике Жерар Муру создал лабораторию мегагрантов в Нижнем Новгороде? В России успешно работают ученые, которые приехали из Германии, Франции, Великобритании. 
 
— Это очень мало по сравнению с количеством уехавших.
 
Здесь вопрос в том, насколько ты часть мирового научного сообщества, как ты в него интегрирован. И можешь ли создать условия, чтобы интересные амбициозные люди из другой культуры сюда приезжали и эффективно здесь работали. РКЦ создает такие условия. Недавно к нам в группу приехал человек из Германии — с очень интересным опытом. Был там постдоком, вернулся в Россию и решил, что будет работать в РКЦ.

Еще есть аспирант из Голландии. Он окончил магистратуру университета Амстердама по физике и решил в аспирантуре учиться в России. Он совершенно не говорил по-русски, мы помогли ему обустроить быт, он снял квартиру на территории Сколково. 

Если говорить про науку в целом, то один из ярких примеров возвращения — Артем Оганов, кристаллограф, который занимается вычислительными методами построения материалов. Он поработал много где в мире, в том числе профессором в США, в университете в Стоуни-Брук. Потом вернулся в Россию и создал свою лабораторию в Сколтехе. Теперь туда приезжают специалисты из Европы, Азии, откуда угодно. И таких примеров не так мало, но на них обращают гораздо меньше внимания, чем на те, когда кто-то куда-то уехал. 
 
— А кто у вас, кстати, из последних уехал?
 
— Из моей группы в Оксфорд к Львовскому отправился аспирант Алексей Малышев. В этом году в Нидерланды уезжает очень талантливый специалист Михаил Кудинов. Он занимается алгоритмами по криптографии, будет учиться в аспирантуре.
 
— Где сегодня готовят лучшие кадры?
 
— Думаю, что самым сильным местом остается Физтех. Из регионов могу выделить Новосибирск — со многими коллегами, которые там учились, удалось поработать, и это было очень круто. 

Есть интересная штука, о которой я в последнее время задумываюсь. Много людей делают выводы о том, как работает российская наука и как все развивается, имея определенную выборку: чаще всего либо позитивную, либо негативную. У меня выборка позитивная. Я захожу в лаборатории и вижу клевых молодых ребят, которые широко образованы, говорят на нескольких иностранных языках, стараются стать лидерами в своей области и готовы работать по 18-20 часов в сутки. 

Мои коллеги из лаборатории с ионным квантовым компьютером говорят: мы не могли спать, пока это не сделали. Часто слышу это от моего коллеги Ильи Семерикова. Сочетание колоссального интеллекта, мотивации и желания работать поражает. Поэтому у меня нет никакого пессимизма. Я больше думаю о том, хватит ли всем работы, достаточно ли хорошие условия созданы для этих ребят. 

«Самый мощный ИИ будет квантовым»


— Что мы увидим, если заглянем на десять лет вперед?

— Сложно делать предсказания на пороге развития очень крупной технологии. Вспоминаю людей, которые, находясь на заре классической компьютерной эпохи, говорили, что миру будут нужны всего пять компьютеров или только 128 кб оперативной памяти. Я сделаю несколько осторожных предположений. Квантовые компьютеры не вытеснят классические и графические процессоры. Они очень сильно простимулируют развитие альтернативных вычислительных платформ, например, классического фотонного процессора, нейроморфных вычислений и так далее.  

Через десять лет у вас будет доступ, скажем, и к графическому процессору, и к квантовому — на ионах, на фотонах и сверхпроводниках. И вы сможете выбрать для вашего виртуального сервера вычислительные мощности, которые нужны для решения практических задач, и иметь постоянный облачный доступ к набору этих разных вычислительных архитектур. 

 

Мощностей квантового компьютера хватит на многое, но далеко не на всеМощностей квантового компьютера хватит на многое, но далеко не на все

 

 
С помощью квантовых компьютеров люди смогут решать полезные и экономически важные задачи. Например, искать более эффективные лекарства или топливные элементы. Один из главных потребителей квантовых вычислительных мощностей — автомобильная отрасль. Возможно, что через 10-15 лет там появятся новые технологические решения, которые будут инспирированы квантовыми вычислениями. 
 
— Что скажете о симбиозе машинного обучения и ИИ квантовых компьютеров?
 
— Это очень продуктивное направление, где квантовые компьютеры по-настоящему могут показать свою полезность. Например, Google назвала свою лабораторию Quantum AI Lab, изначально рассматривая возможность соединения квантовых компьютеров и алгоритмов машинного обучения ИИ. Есть много идей, как в разы ускорить обучение нейронных сетей за счет квантов. Более того, можно строить принципиально новые типы нейронных сетей — квантовые нейронные сети. 

Почему квантовые компьютеры и машинное обучение могут красиво сочетаться? Есть интуитивный аргумент. Кванты сейчас работают с ошибками и шумами. Но для алгоритмов машинного обучения тот факт, что есть ошибки и шумы, не страшен, потому что алгоритмы настроены на то, что работают с неидеальными выборками. Поэтому неидеально работающие квантовые компьютеры для машинного обучения, которое привыкло работать с чем-то неидеальным — это хороший симбиоз.
 
— И супер-ИИ, которого многие боятся, будет квантовым? 
 
— Думаю, да, ведь весь наш мир квантовый. Человеческий мозг уже в состоянии понять, что недостаточно классической механики для описания мира. И в голове Макса Планка (нобелевский лауреат, основоположник квантовой физики — прим. RB.ru) и других ученых возникло это понимание, отсюда попытки построить квантовые модели, обладая исключительно классическим опытом. Потом люди начали понимать, что классического опыта недостаточно, и начали выдумывать принципиально новую парадигму, а потом раз за разом подтверждали ее правильность экспериментально. Поэтому если мы рассматриваем ультимативно самый мощный ИИ, то он должен включать в себя и возможности квантовых вычислений, и понимание квантовой природы мира. 
 
— Квантовая телепортация людей возможна? 
 
— Теоретически нет законов, которые бы этому противоречили. Квантовая телепортация — это некоторый протокол передачи квантовых состояний. И если передать квантовые состояния всех атомов и молекул и всего, что составляет наш организм, гипотетически кажется, что можно было бы квантовым образом телепортировать человека. Но, как говорит мой коллега и наставник Александр Львовский, технологически от этого нас отделяет вечность. 
 
— Именно Львовский как-то сказал, что сейчас уровень знаний в физике на много порядков выше тех, что можно использовать на практике, и что физика будет замедлять свое развитие, уступая место кибернетике и биологии. Можно еще вспомнить байку про Макса Планка, которого пытались отговорить от занятий физикой аргументом, что все открытия там уже сделаны. 
 
— С Планком так и было, он писал об этом в своей биографии. Планк пришел к своему научруку Филиппу Жолли и сказал, что собирается заниматься теоретической физикой. А тот ответил, что не совсем понимает, чем именно. Ведь стройное здание этой науки уже построено, остались мелкие штрихи. В физике действительно остались сложные вопросы вроде объединения гравитации и квантовой механики или связанные с темной материей и темной энергией, с потерей информации в черных дырах. То есть оставшийся класс нерешенных физических проблем представляет собой что-то фундаментально сложное. Прогресс по их решению сейчас тяжело предсказать, десятилетиями никто не может подобраться даже близко, требуются новые оригинальные идеи.

 

В Сколково

Указатели в РКЦ/Фото: Маша Парфитт

 

Но мы видим, что экспериментальные прорывы происходят. Открытие бозона Хиггса, прямое наблюдение гравитационных волн. И биология с кибернетикой в ближайшее время будут развиваться быстрее, потому что там много задач, которые не решены, и потому что туда проникают методы из математики, компьютерных наук и физики. Интересное наблюдение: есть много компаний по биоисследованиям, созданных физиками. И они успешны, потому что принесли вот эту строгость построения моделей, физическое отношение к описанию мира в биологию и биоинформатику. 


Но я думаю, что в физике обязательно будет прогресс — в особенности связанный с построением квантового компьютера. Вполне возможно, какие-то нерешенные вопросы фундаментальной физики можно будет исследовать с помощью квантового компьютера.
 
— Посоветуйте, что читать и смотреть по физике. 
 
— Книга, которая изменила мою жизнь — «Краткая история времени» Стивена Хокинга. Еще одна, написанная более сложным языком — «Новый ум короля» Роджера Пенроуза. Мне нравятся книги Митио Каку и Леонарда Сасскинда. Не стоит пропускать блог Скотта Ааронсона, который стоял у истоков квантовых вычислений. Еще есть очень классный профессор по физике Джон Прескилл. Он изобрел термин Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ). Он в своем фейсбуке пишет совершенно потрясающие посты, выкладывает фото медведей, которые купаются у него в бассейне в Калифорнии, и рассказывает невероятные истории о квантовых вычислениях. Конечно, советую читать и Ричарда Фейнмана — и его лекции, и «Какое тебе дело до того, что думают другие», и «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!».


Вообще, с YouTube изучать физику стало гораздо проще. Можно забить в поиск quantum computer how it works или ultracold atoms и посмотреть лекцию, где в деталях рассказывается, как кванты работают. На YouTube есть классные лекции Артура Экерта, одного из создателей квантовых коммуникаций, а еще у Александра Львовского есть свой канал, который я тоже очень советую. 

 

Комментарий эксперта

Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации Росатом и глава Национальной квантовой лаборатории (НКЛ) 


Развитие квантовых технологий с точки зрения ответственности разделено между тремя госкорпорациями. РЖД отвечает за квантовые коммуникации, Ростех — за сенсоры, Росатом — за квантовые компьютеры. То есть моя зона ответственности — это как раз компьютеры, и у НКЛ есть четкая задача до конца 2024 года помочь российским ученым создать квантовый компьютер из 30-100 кубитов. Мы пока эту цифру держим и, возможно, в каком-то из направлений кубитов будет даже больше, чем 100. 

Нужно понимать, что Национальная квантовая лаборатория — это консорциум, сообщество. У нее нет своей инфраструктуры, но она есть у РКЦ, Физтеха, МИСиС, МГУ, ФИАН и других наших партнеров. В рамках дорожной карты закупается оборудование, строятся лаборатории — в основном на территории Сколково, проводятся научные конференции. Мы пытаемся скоординировать вузы, которые учат квантам, чтобы была не хаотичная картинка, а согласованные программы. Мы объединяем работу на уровне исследований, когда, например, на задаче по полупроводниковым кубитам работают три-четыре партнера одновременно. И мы будем создавать современные лабораторные комплексы для студентов, которых много лет не допускали к научному оборудованию из-за его дороговизны. 

Бюджет нашей части дорожной карты (по квантовым вычислениям) составляет 23,6 млрд рублей до конца 2024 года. Из них 13,3 млрд — это госбюджет и 10,3 млрд — деньги Росатома. Оборудование закупаем и в России, и за границей. Безусловно, санкции создали нам сложности. Не все поставщики хотят работать в ситуации неопределенности. Не буду говорить, какие именно, но это встречается везде. Бывает так, что одни производители перестают поставлять, а их конкуренты, наоборот, готовы сотрудничать. 

Мы отстаем от западных разработок примерно на десять лет. Но сокращать это отставание реально, ведь мы уже понимаем, куда движется мир. В этом и заключается преимущество догоняющего — не идти куда-то вслепую, а видеть, что сделано лидерами. И до 2024 года у нас задача к ним максимально приблизиться, а до 2030 года — в каких-то аспектах стремиться стать первыми. Но для этого надо поднакопить инфраструктуру и компетенции. То есть сейчас мы строим фундамент для последующей работы. 

Прогресс будет виден в ближайшие несколько месяцев, осталось сделать пару шагов. Уже есть многокубитные системы, созданные на разных платформах. Теперь на них надо запустить универсальные квантовые операции, что тоже сложная задача. Но когда они запустятся, мы сразу увидим рывок. Будет не два кубита, а сразу, например, 20. До конца 2021 года мы увидим, думаю, четыре-пять кубитов, а дальше их количество будет расти в геометрической прогрессии. 

США и Китай пока недостижимы, но нельзя сказать, что Европа от них сильно отстает. Там есть несколько проектов мирового уровня. Во Франции работает сильная группа по атомам (руководитель — Антуан Брауэрс), и она конкурирует с американцами. В Австрии есть сильная группа Райнера Блатта по ионам. Но по сверхпроводящим кубитам американцы и китайцы пока впереди всех. 

В ближайшие годы люди перестанут мериться количеством кубитов. На первое место выйдет эффективность квантовых компьютеров. Появится расслоение: одни компьютеры будут хороши в решении одних задач, другие — в других. 

Нашли опечатку? Выделите текст и нажмите Ctrl + Enter

Материалы по теме

  1. 1 Как работают квантовые технологии в финансовом секторе?
  2. 2 Фотоны против хакеров: как квантовые технологии оберегают данные корпораций
  3. 3 Берегите данные: как защититься от атак с применением квантового компьютера уже сегодня
  4. 4 С новым «квантовым» годом: почему бизнесу пора присмотреться к новым технологиям
  5. 5 Пора задуматься об инвестировании в квантовые технологии — какие у них перспективы?

ВОЗМОЖНОСТИ

20 октября 2021

20 октября 2021

20 октября 2021