Слом основ. Учёный рассказал, как в ближайшие годы изменятся Россия и мир под натиском квантовой механики

Почему вы решили связать свою жизнь именно с квантовыми технологиями, когда вас это заинтересовало?

Меня это заинтересовало ещё в школе. Тогда я начал смотреть научно-популярные сериалы, в которых рассказывалось о различных физических явлениях — путешествиях во времени и так далее. В одном из них я услышал про книжку Стивена Хокинга «Краткая история времени», в которой очень интересно рассказывалось о загадках квантовой механики. Оказалось, её базовые принципы очень трудны для интуитивного анализа, поскольку у нас нет никакого опыта, позволяющего их понять и описать. Например, возможность квантовой системы находиться в нескольких состояниях одновременно (принцип суперпозиции или проявление сильной взаимосвязи между квантовыми объектами (квантовая запутанность). Это очень непривычные для нас, людей классической физики, понятия.

Потом я узнал, что можно эти принципы использовать для построения новых технологий, новых устройств. И уже на первых курсах университета я начал активно копать в этом направлении.

Если бы у вас была задача за какое-то очень ограниченное время заинтересовать школьников, студентов темой квантовых технологий, что вы сказали бы?

Квантовые технологии интересны сами по себе, поскольку это работа с самыми мельчайшими компонентами нашей вселенной, возможностью их контролировать. Более того, использовать их необычные свойства, чтобы сделать то, что принципиально невозможно сделать без них.

Какое направление вам кажется наиболее важным и перспективным?

Вся сфера квантовых технологий, с моей точки зрения, очень важна.

Мне наиболее интересны квантовые компьютеры, поскольку они действительно нужны для решения сложнейших вычислительных задач, и запрос на это уже сформировался и у общества, и у экономики. Именно здесь я лично для себя вижу самое большое количество вызовов.

Однако квантовые коммуникации — для нашего общества не менее важное направление, которое обеспечит защиту информации в долгосрочной перспективе.

Квантовая сенсорика, наверное, приковывает меньше внимания, но для биомедицинских целей это направление может активно применяться. Когда она войдёт в нашу жизнь, она поможет каждому из нас.

Поэтому мне трудно выделить наиболее важное. Но есть наиболее интересное именно для меня — это квантовые вычисления.

Зачем вообще России квантовые технологии?

Тут есть несколько аспектов. Первое — это сохранение научного потенциала. Молодёжь объединяется, когда перед ней ставят очень амбициозные задачи. История знает примеры таких задач: первый спутник, атомные технологии. Вокруг этих задач объединилось огромное количество талантливых исследователей.

Второе — это обеспечение безопасности, поскольку речь всё-таки идёт о стратегически значимых технологиях.

И третье — возможность (что стало актуальным в контексте последних событий) достижения определённого технологического суверенитета нашей страны и паритета в развитии критически важных технологий. Ведь страны, которые обладают квантовыми компьютерами, точно будут иметь определённое технологическое преимущество. Нам нельзя остаться без него в современном мире.

Насколько российские учёные в принципе продвинулись в вопросе квантовой механики, квантовых вычислений, квантовых коммуникаций, особенно в последние годы, когда в стране идет Десятилетие науки и технологий? Сейчас мы отстаём от зарубежных команд или опережаем?

Вообще, если смотреть исторически, очень многое из того, что стало основой квантовой механики, сделано советскими и российскими учёными. Например, есть понятие «матрица плотности» — это то, как мы описываем состояние квантовой системы. Его ввели одновременно венгеро-американский математик Джон фон Нейман и советский учёный Лев Ландау в 1927 году. Даже концепцию квантового компьютера в начале 1980-х тоже одновременно предложили Ричард Фейнман в Соединённых Штатах и Юрий Манин, советский математик.

Несколько ключевых результатов в области квантовых технологий носят имена советских учёных. Например, теорема Холево, которая известна практически каждому специалисту в этой области.

Вот эти основы — это уже достижение наших соотечественников. И это всего несколько примеров, российские учёные отметились по всей ветке развития квантовой механики.

Сейчас отставание есть. Оно неоднородно по разным областям. Если в сфере квантовых компьютеров оно наблюдается из-за колоссальных инвестиций, направляемых на это направление, скажем, в США или Китае, то по квантовым коммуникациям российские решения вполне конкурентоспособны.

Иногда мы даже демонстрируем более глубокое понимание в отдельных направлениях, скажем, в создании кудитных квантовых процессоров. Это процессоры нового поколения, которые используют для обработки информации не кубиты (двухуровневые квантовые системы), а кудиты (многоуровневые квантовые системы с суперпозицией произвольного количества квантовых состояний). Такой процессор за последние два года показали четыре страны — Австрия, Китай, США и Россия. Сейчас в мире есть пять-шесть квантовых процессоров на кудитах, и один из них — заслуга российской команды в Российском квантовом центре и ФИАН им. П. Н. Лебедева. В нашей работе нам очень помог проект Лидирующих исследовательских центров, Дорожная карта по квантовым вычислениям и Российский научный фонд.

Да и по новым типам кубитов, базовых вычислительных элементов для квантовых компьютеров, в России проводятся пионерские исследования на мировом уровне. Например, недавно продемонстрированные кубиты-флюксониумы с рекордными характеристики, в разработке которых принимали участие мои коллеги из МИСИС. То есть мы стараемся не отставать и искать новые пути развития.

Критическая масса людей, интеллектуальный потенциал для развития этого направления есть.

Сейчас мы вступили в активную фазу реализации Дорожной карты по квантовым вычислениям (координирует Росатом). Это очень важный проект, объединяющий в рамках страны различные научные группы, которые решают задачи квантовых технологий. Мы уже видим первые результаты консолидации научного сообщества в этом направлении.

Появились ли у российской науки проблемы в связи с санкциями, в частности как раз в квантовом секторе? Есть ли дефицит компонентов, есть ли утечка мозгов? Нынешнюю ситуацию вы рассматриваете как тёмный период или как время возможностей?

Вы знаете, очень осторожное отношение к поставкам (иностранного) оборудования началось гораздо раньше. Эта сфера в последние пять лет постепенно становилась стратегической и всё более и более зарегулированной. И кардинального изменения в связи с санкциями не произошло. Это был логичный шаг, которому предшествовало всё возрастающее внимание к экспорту технологичных товаров со стороны стран Запада.

Конечно, такие глобальные ситуации, как сейчас, осложняют работу и научное взаимодействие. Ведь наука, особенно в таких областях, носит международный характер. Во многих научных публикациях принимают одновременное участие учёные из самых разных стран мира. Поэтому хотелось бы, чтобы текущая ситуация не касалась напрямую возможностей для научного сотрудничества.

Страны между собой обмениваются учёными, и это в карьере учёного совершенно нормально: закончить первую ступень образования в одной стране, потом поступить в магистратуру в другой стране, в аспирантуру — в третьей, а работать — вообще в четвёртой, пятой. Потом вернуться к себе на родину или остаться. Это абсолютно нормальные этапы развития.

Есть такой тренд во всех странах мира: после определённого цикла получения опыта учёным стараются создать условия для работы в родной стране. Здесь пример демонстрирует Китай со своей национальной программой «1000 талантов». Она позволила вернуть огромное количество учёных — и сделать значительный скачок в квантовых технологиях и не только. Именно это становится основным трендом.

Успешно у нас возвращают мозги?

Есть примеры успешных возвратов. Вот я учился во Франции, а когда передо мной стоял выбор, куда поехать, я поехал работать в лабораторию в России. Есть примеры моих коллег, которые либо полностью вернулись, либо проводят здесь существенную часть своего времени.

Но мы привыкли к термину «утечка мозгов», боимся его.

Приведу пример: в Германии очень существенный процент людей уезжают после аспирантуры работать в Америку. Но там никто не говорит о какой-то утечке мозгов. Люди за океаном набираются опыта, потом возвращаются и создают в Германии передовые лаборатории. В одном из ведущих немецких научных центров очень много людей именно с опытом работы в Северной Америке.

Поэтому наш фокус должен быть не на величине оттока и связанном с этим расстройстве, а на создании условий для притока.

А что может и должно сделать государство, чтобы этот научный импульс не пропал?

Мне кажется, очень важный аспект — это долгосрочные программы финансирования.

Вот сейчас есть замечательная программа, которая работает в масштабе 3–5 лет, — гранты Российского научного фонда, которые позволяют молодым учёным создать собственную научную группу с очень большой степенью поддержки. Во многом благодаря поддержке РНФ была создана и моя собственная научная группа. Для этой президентской программы горизонт — три года, после которых грант могут пролонгировать.

Для людей, которых мы хотим привлечь, наверное, можно было бы создавать ещё более простые цепочки более долгосрочных программ финансирования с горизонтом в 10–20 лет. Ведь во многих научных областях для получения результатов необходимо не три года, а пять, десять, пятнадцать лет с изменением стратегии по ходу дела. Сейчас всё так бурно развивается, что спланировать что-либо на долгий срок невозможно.

Так что нужны гибкость и готовность изменять планы, и одновременно долгосрочное планирование. Так мы создадим более привлекательные условия. Однако, повторюсь, уже достигнуты замечательные результаты в создании системы поддержки передовых исследований.

Имеет ли смысл вкладываться в квантовые технологии сейчас? Как у нас вообще обстоят дела с частным финансированием в этом секторе?

Моя точка зрения здесь довольно радикальна: нет вопроса, можно ли вкладываться, есть ответ, что не вкладываться нельзя. В своё время отсутствие должной степени внимания к некоторым областям, таким как микроэлектроника, сейчас привело к определённым сложным последствиям.

И совершенно понятно, что все развитые страны много инвестируют в квантовые технологии не случайно, поскольку видят в них очень серьёзный потенциал. Здесь основное финансирование — и в России, и в мире — идёт от государства. Понятно почему: оно фундаментальное и достаточно наукоёмкое.

С другой стороны, есть и подвижники, частные компании. Например, я могу сказать, что Газпромбанк сильно помогает Российскому квантовому центру, Росатом направляет свои частные средства на финансирование Дорожной карты квантовых вычислений.

Важно увеличивать эту пропорцию частного финансирования — не в абсолютном значении денег, а скорее в росте возможности сфокусироваться на тех задачах, которые в будущем будут интересны индустриальному партнёру, инвестору. Не просто создать квантовый компьютер, а создать квантовый компьютер с алгоритмами и методами, делающими возможным следующий этап его применения. Я думаю, что без вовлечения частных инвесторов и их участия деньгами и экспертизой это так не заработает.

Какие препятствия есть у квантовой науки, чтобы перейти из плоскости теории и чисто научных изысканий к созданию реального продукта, меняющего общество?

В общем и целом сейчас есть два основных препятствия. С одной стороны, квантовые технологии развивать сложно, здесь много есть сложных наукоёмких вопросов, на которые ещё предстоит найти ответы. Например, мы до сих пор ищем ту элементную базу, тот физический принцип, на котором квантовые компьютеры будут построены. Если в какой-то момент в микроэлектронике мы стали использовать кремниевые интегральные схемы и пошли по пути их совершенствования и масштабирования, здесь этот аналог ещё не найден.

В данный момент мы идём по нескольким направлениям. В Дорожной карте выделены четыре основные направления: атомы, ионы, фотоны и сверхпроводники. Важно отметить, что до конца никто не знает, какое направление станет лидером. Может быть один победитель, а может быть и несколько: например, квантовые компьютеры на различных физических принципах будут решать разные задачи.

При этом ожидания уже очень высоки. Государственные и частные компании по всему миру, заинтересованные люди ждут появления коммерческих квантовых компьютеров. Поэтому область в каком-то смысле находится между двух огней. С одной стороны — необходимость решать сложные задачи, а с другой — завышенные ожидания, которые поторапливают учёных.

Как вообще может измениться общество и мир с развитием этих технологий?

Что касается изменения жизни, при появлении масштабируемого квантового компьютера станет возможным решение самых разных сложных задач, принципиально недоступных для классических суперкомпьютеров. Искать новые материалы, моделируя их на квантовом уровне, новые типы батарей, лекарств, новые способы получения различных химических соединений. Очень точно измерять параметры окружающей среды. Решать сложные оптимизационные задачи — для такой страны, как Россия, те же логистические задачи приводят к очень большому эффекту в связи с масштабом.

Или построить новые методы долгосрочной защиты информации на основе квантовой и постквантовой криптографии, которые будут устойчивы к широкому классу атак, поскольку их надёжность сводится к фундаментальным законам физики. А это, с учётом тренда на рост количества данных, требующих защиты, очень важно.

А не оставит ли широкое внедрение квантовых технологий без работы каких-то специалистов?

Пока сложно себе это представить. Пока что это инструмент для решения сложных вычислительных задач, и на этом этапе человек для программирования квантового компьютера будет необходим. Сможет ли он сделать какие-то рутинные задачи более лёгкими в исполнении — да, как и искусственный интеллект. Но как мы видим на примере ИИ, даже с ним пока не произошло массового высвобождения человеческого ресурса. Люди просто переквалифицируются на более сложные и творческие задачи, с квантовыми технологиями произойдёт нечто похожее.

Одной из тем ваших научных изысканий был квантовый блокчейн. В чём преимущества квантового блокчейна перед обычным и где его можно применять?

Как раз потому, что технология блокчейн в какой-то момент набрала очень большую популярность, мы обратили на неё внимание. Нам было интересно понять перспективы развития и внедрения этой технологии. Основной хайп вокруг блокчейна был связан с приписываемой ему большой степенью защищённости данных, прозрачности и т. д.

Но когда мы стали подробно анализировать, стало понятно, что все эти замечательные свойства так или иначе сводятся к определённым криптографическим элементам, например цифровым подписям, механизмам консенсуса. Таким образом блокчейн оказывается устойчив ровно в той мере, в какой устойчива его криптография. А одно из применений квантовых компьютеров — возможность быстрого криптоанализа (попросту говоря, взлома), сводящая на нет защищённость многих традиционных криптографических алгоритмов. И многие традиционные блокчейны неустойчивы перед атаками квантовых компьютеров.

И мы поняли, что при построении блокчейнов нужно использовать метод с использованием квантовых же технологий, конкретно — квантовых цифровых подписей или постквантовой криптографии, которые делают блокчейн устойчивым перед такими атаками. И вот это сочетание квантов и блокчейна даёт нам эффект, гарантирующий долгосрочную информационную безопасность.

Одна из форм предложенного нами квантового блокчейна в пилотном режиме была развернута на одной межбанковской платформе и использовалась для защиты транзакций. Его индустриальное применение станет возможным, когда появятся квантовые сети достаточного масштаба.

Верно ли, что с появлением таких сетей придётся довольно быстро реформировать всю IT-сферу? Нам же потребуется новая безопасность, новая криптография, чтобы существование квантовых компьютеров не становилось глобальной угрозой…

Да, это так. Я бы даже сказал более радикально: даже без распространения квантовых компьютеров такая необходимость просматривается. Уже зная о возможности такой угрозы, необходимо уже сейчас принимать её во внимание и думать о соответствующих изменениях принципов построения информационных систем.

Одна из вещей, которая делается прямо сейчас на государственном уровне в ведущих странах мира, — стандартизация решений, устойчивых к квантовому взлому. То есть квантовых ключей и квантовой криптографии. В России этим занимается Технический комитет 26, который разрабатывает и анализирует новые типы устойчивых криптографических алгоритмов. Из них сформируют стандарт. Впоследствии с помощью этого стандарта можно будет проводить апгрейд информационных систем.

Здесь есть несколько возможностей. Во-первых, квантовое распределение ключей — хардверная технология, которая лучше всего подходит для приложений, требующих очень высокого уровня защиты канала для передачи данных, например между дата-центрами.

Во-вторых, постквантовая криптография — программное решение, использующее новые квантово-устойчивые алгоритмы, которые лучше интегрируются в мобильную пользовательскую инфраструктуру, в веб-приложения. Уже сейчас ясны инструменты, но нужно пройти путь по их анализу и стандартизации, чтобы начать работу по их масштабному внедрению. Первые элементы таких внедрений мы уже видим.

Появление квантового компьютера в России — дело какого времени?

Квантовый компьютер в России уже существует, но его масштабы пока не позволяют решать практические задачи с экономическим эффектом. Несколько лет назад был продемонстрирован двухкубитный квантовый компьютер на сверхпроводниках — количество кубитов там маленькое, но достаточное, чтобы показать работу некоторых квантовых алгоритмов. Уже разработан четырёхкубитный квантовый компьютер на ионах.

В этом году мы ожидаем, что количество доступных кубитов увеличится, у нас есть планы по развитию этого проекта.

Какое значение имеет для вас участие в предстоящем Конгрессе молодых учёных? Как считаете, насколько важна и нужна такая площадка для презентации идей и общения с коллегами по научному цеху?

Конгресс молодых учёных — для меня принципиально важная площадка. Как представитель молодёжного научного сообщества, я очень ценю этот формат и с радостью принимаю в нём участие. Прежде всего, это возможность пообщаться с коллегами, обменяться мнением, сформировать некую позицию по текущей ситуации. Несмотря на то что все мы занимаемся очень разными областями, существуют вопросы, которые требуют каких-то общих решений.

В России вообще сообщество молодых учёных очень активное, даже проактивное. Многие из них предлагают решение актуальных задач и тех задач, которые ещё только станут актуальными. Я рад, что в сетке российских мероприятий появилась такая площадка для обсуждения развития молодёжной науки и её влияния на науку в целом.

Коллажи: «Секрет фирмы», unsplash.com/FLY:D, tourismus.ulm.de