ТОП 10 лучших статей российской прессы за
Окт. 2, 2019

— Валерий Владимирович, ВЦИОМ выяснил, что 70% россиян не могут назвать ни одного достижения нашей науки за последние годы. То есть подавляющая часть населения ничего не знает про ваши прорывы на квантовом поприще. Обидно вам за российскую науку?

— Тут можно говорить про разные уровни обиды. В первую очередь, в обществе в целом изменилось отношение к науке. Конечно, во многом этому способствует самый доступный медиапродукт — телевидение, которое сегодня посвящает целые каналы лженауке. Но и сама наука иногда себя дискредитирует, когда появляются передачи, где ученые рассказывают, скажем, про исцеляющую силу углерода. В итоге эта вседозволенность царит на всех уровнях научного сообщества. Например, раньше всем было известно, кто хороший ученый, а кто плохой, кому можно доверять, а кому нет. Да и правительство, еще со времен атомного проекта, ориентировалось именно на оценку самого научного сообщества.

Сегодня же в науке работают совсем другие каналы поступления информации и методы принятия решений. И иногда руководителями важных профильных институтов становятся не реальные эксперты, а те, кто завел нужные знакомства с чиновниками.

Затем они приходят к нам в лабораторию и предлагают проекты, в которых собираются черпать энергию из ничего с прямым нарушением всех физических законов. Когда разговариваешь с такими людьми, понимаешь, что они, мягко говоря, некомпетентны…

— А как бы вы назвали этот этап в развитии науки по существу? Эпоха ядерной физики прошла. И какая настала?

— Нынешнее состояние физики называется эпохой второй квантовой революции. Первая произошла, когда открыли квантовую механику, добрались до атома и поняли, как взаимодействуют атомные силы. Это привело к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии — мобильной связи и интернета, светодиодных ламп и МРТ. А вот с конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. И если во время первой основой технологий и приборов было управление коллективными квантовыми явлениями, то сейчас речь идет о способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например атомов и фотонов. Тот же самый сверхпроводниковый кубит — основа современных квантовых компьютеров — это, по сути, рукотворный атом. Его особенность в том, что он может принимать не только состояния «0» или «1», как в обычном компьютере, но и множество «промежуточных», являющихся суперпозицией состояний «0» и «1». За счет этого вычисления в квантовом компьютере происходят в миллиарды раз быстрее, чем в обычном.

— Как же вы управляете отдельным атомом?

— Чтобы управлять, его нужно сначала поймать или изготовить искусственно. Ученые ловят атом в буквальном смысле — с помощью особых электромагнитных или оптических ловушек, а затем охлаждают с помощью лазера. На таких атомах или ионах основываются вполне естественные для квантовых вычислений подходы. Но тут возникает принципиальная сложность. Чтобы заработал обычный компьютер, должно взаимодействовать огромное количество элементов. Для работы квантового компьютера тоже нужно организовать взаимодействие, но как сделать так, чтобы начали управляемо взаимодействовать два атома? Мы считаем, что если двигаться по проторенной тропе использования естественных атомов, то квантовый компьютер создать будет трудно. Так что на первый план выходит реализуемый нами подход, связанный с использованием сверхпроводниковых наноструктур из «искусственных атомов». Таким образом, нужно заниматься не традиционными информационными технологиями и физикой, а новой наукой, то есть фундаментальной физикой искусственных квантовых систем. В квантовом компьютере как раз очень много физики.

— В этом году в России появилась дорожная карта развития квантовых технологий. Судя по ней, основным потребителем квантовых вычислений является государство — борьба с преступностью, оборонка, банкинг. В каких областях это еще актуально?

— Нынешний этап развития квантовых технологий тесно связан с программой Цифровой экономики, которую сейчас бурно обсуждают в правительстве. Я состою в нескольких комиссиях по направлениям квантовых технологий. Одно из них — квантовые коммуникации — сейчас решает задачу, как запустить одиночные фотоны через оптоволокно или открытое пространство, чтобы использовать их для телекоммуникаций. Это нужно для создания технологий самой надежной защиты при передаче данных. Защита основана на применении фундаментальных законов квантовой физики, которые невозможно обойти: подслушать такую линию невозможно в принципе, потому что, грубо говоря, при любой попытке это сделать фотон разрушится. Но пока технология с использованием оптоволокна работает лишь на очень небольших расстояниях, а в квантовых коммуникациях через открытое пространство, кстати, дальше всех продвинулись китайцы.

— А как же сам квантовый компьютер, который, как говорят, сможет открыть все существующие шифры?

— Вокруг квантового компьютера много легенд. В данном случае речь идет о квантовом алгоритме, дающем возможность быстро разлагать числа на простые множители. Обычный компьютер не может перебирать огромное количество комбинаций и «захлебывается» в случае, когда в числе более 5–7 множителей. А квантовый, который умеет использовать квантовый алгоритм Шора, в теории и впрямь может расшифровать любой традиционный код. Но в реальности уже существуют новые типы кодов, с которыми, возможно, квантовый компьютер и не справится.

Русский след

— Недавно на выступлении в МФТИ один ученый из Италии сказал: «В теоретической физике известен факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то ее, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад». Можно ли такое сказать про квантовые технологии? Ведь большинство Нобелевских премий, которые получали наши физики, так или иначе связаны с квантовым направлением. Вы застали старую школу? И осталось ли от нее что-то сегодня?

— Я окончил физфак Казанского университета в 1975 году, защитив диплом на стыке ядерной физики и физики твердого тела. К последней, как известно, относится актуальное сегодня явление сверхпроводимости. Кто-то мне тогда рассказал о новом Институте физики твердого тела в Подмосковье. Я поехал в Черноголовку разговаривать с тогдашним директором академиком Юрием Осипьяном. В 36 лет он стал замом академика Георгия Курдюмова — одного из организаторов известного ЦНИИ чермета, заложившего основу советской металлургии, а в те годы также являющегося директором-организатором Института физики твердого тела. Кстати, именно Курдюмов в свое время разгадал секрет булатной стали, объяснив природу мартенсита — особой структуры сплавов, появляющейся при закаливании. Сам Осипьян был человеком с потрясающим кругозором, знакомый со всей плеядой блестящих физиков того времени. Так что не случайно именно его попросили стать директором нового института в Черноголовке, которая была сначала не лучшим местом.

— Почему?

— Она создавалась как взрывной полигон при Институте химической физики АН СССР, где активно занимались физикой горения и взрыва. И лишь потом Черноголовка стала большим научным центром Академии наук. В Институте физики твердого тела образовался совершенно замечательный набор ученых, куда я попал случайно. Мне довелось работать под руководством очень интересного человека Вадима Шмидта, сына Василия Шмидта — наркома труда в первом правительстве Ленина, которого расстреляли в 1938 году. То есть мой руководитель был сыном «врага народа».

— Непонятно, как его при этом взяли на работу.

— После школы его как раз никуда не брали, и он попал в Московский энергетический техникум, рассказывал, как голодной зимой студенты рубили топором замерзшую капусту и ели ее. Тем не менее затем он окончил МГУ, стал блестящим экспериментатором в Институте металлургии, откуда его выгнали, устроив позорное судилище: он подписал письмо в защиту кого-то из диссидентов. В итоге этот замечательный ученый три года был безработным, ходил на лекции будущего Нобелевского лауреата академика Виталия Гинзбурга и потом под его началом стал заниматься теорией сверхпроводимости. Вадим Шмидт опубликовал пионерские вещи и открыл новое важное направление в физике сверхпроводников. Именно под его руководством я неожиданно стал заниматься тем, из чего сейчас делают кубиты для квантового компьютера.

— Как сверхпроводимость связана с квантовыми технологиями?

— Сверхпроводимость лежит в основе многих квантовых эффектов. Этоинтересное явление было открыто еще в 1911 году. Оно связано со способностью некоторых материалов пропускать электрический ток без потерь. В обычном металле каждый электрон живет своей жизнью: он летит, ударяется о кристаллическую решетку, умирает и возрождается — эта система обеспечивает сопротивление. Однако в некоторых материалах при низкой температуре все электроны ведут себя как единая квантовомеханическая волна и двигаются без сопротивления — это и называется сверхпроводимостью. Температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, зависит от электронной структуры материала. Надо признать, что ученые до сих пор до конца не могут описать, как именно это происходит, например, в высокотемпературных сверхпроводниках. Поэтому поиск таких проводников осуществляют почти методом «тыка».

— Видимо, по той же причине до сих пор не созданы сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Это же давняя мечта человечества…

— Я прекрасно помню, как мы вместе с Вадимом Васильевичем (Шмидтом.— «О») ходили на семинары разных умных людей, включая сотрудников Виталия Гинзбурга, которые считали, что сверхпроводимость нельзя получить при температуре выше 30 градусов Кельвина (–243 градуса Цельсия.— «О»). Но природа все устроила намного мудрее, и оказалось, что этот барьер все-таки можно переступить. В 1980-х открыли высокотемпературную сверхпроводимость. Правда, температура сверхпроводящего перехода все еще далека от комнатной: самая высокая температура для сверхпроводимости составляет около –70 градусов Цельсия для сульфида водорода при чрезвычайно высоком давлении. При нормальном давлении верхний предел где-то около –140 градусов.

— В итоге с момента открытия сверхпроводимости прошло больше века, но реально сверхпроводники научились применять только в МРТ, где используют сверхпроводящие магниты?

— Не только. Их применяют при строительстве коллайдеров, в энергетике — уже построены первые пробные линии электропередачи из сверхпроводящих кабелей в США, ФРГ и Дании. В Японии вот уже 15 лет испытывают поезда на магнитной подушке, которые могут развивать скорость 580 километров в час. Но пока все это хлопотно и очень дорого. Кроме того, в обществе есть своего рода криофобия, то есть страх перед проблемами, связанными с охлаждением до температур ниже точки сверхпроводящего перехода.

— А насколько оправдан страх, что закончится гелий-3, которым охлаждают квантовые кубиты? На Земле он ведь почти не встречается, а добывать из трития — проблематично. Пишут, что у России и США есть некоторые его запасы, но они подходят к концу.

— Для охлаждения квантовых систем гелия-3 нужно не так много. А в других случаях для охлаждения используют менее дорогой гелий-4 и жидкий азот.

— Airbus, как известно, планирует создать бесшумный полностью электрический гражданский самолет со сверхпроводящим мотором к 2050 году. Это реально?

— Это вполне реальные проекты, связанные с применением сверхпроводящей керамики, которая, как известно, легче, чем металл. Но тут встает вопрос о том, чтобы перейти от лабораторных образцов к жизни. В авиапромышленности это происходит очень не скоро. У нас в России, к слову, тоже кое-что делается в этом направлении. Например, в МАИ недавно был испытан мощный электрический двигатель с применением сверхпроводящих материалов. В будущем, наверное, такие моторы могут стать альтернативой реактивным, которые наносят вред окружающей среде и являются источниками повышенного шума. Правда, внедрить эти инновации в нашей стране крайне сложно: вкладываться в будущее, к сожалению, сегодня не модно. Все хотят получить прибыль завтра.

— Говорят об использовании сверхпроводимости для размагничивания боевых кораблей. Такое реально?

— Почему нет? Военные корабли размагничивают перед выходом в море, чтобы снять электромагнитное поле корабля, улучшить работу навигации и защитить от наведения высокоточных систем оружия. Есть, конечно, суда из немагнитных материалов, например, из латуни, но в основном их применяют для геофизических исследований. Только они настолько дорогие, что у военных на них денег не хватит. Так что идеи включать какие-то варианты модификации на основе сверхпроводимости, как в случае с самолетами, так и с кораблями, здравые.

Ускользающий кубит

— Каким образом ваш интерес к сверхпроводимости вылился в работу над квантовым компьютером?

— Явление сверхпроводимости было открыто в начале ХХ века, а вот сверхпроводниковая электроника зародилась только в 1960-е после открытия эффекта Джозефсона: английский физик Брайан Джозефсон догадался, что два сверхпроводящих слоя, разделенные прослойкой изолятора толщиной в несколько атомов, будут вести себя как единая система. Применив к такой системе принципы квантовой механики, он показал, что электроны проходят через диэлектрик без сопротивления благодаря особому туннельному эффекту. Вскоре предсказание Джозефсона подтвердилось экспериментально. Возможно, что именно важное прикладное значение эффекта — вплоть до возможности его применения для разработки искусственного интеллекта — вскоре «переключило» Джозефсона на исследования человеческого разума.

— После получения Нобелевской премии он вообще занялся парапсихологией.

— Тем не менее джозефсоновские переходы — базовый элемент современной сверхпроводящей электроники. Открытие эффекта Джозефсона привело к созданию СКВИДов (Superconducting Quantum Interference Device, сверхпроводящих квантовых интерферометров). Фактически эти устройства представляют собой сверхчувствительные магнитометры. Именно с них мы начали в 1980-е Черноголовке.

— Можно в паре слов объяснить, что это такое?

— Вообще магнитометр — это прибор, который, например, применяется для изучения магнитного поля Земли или поиска скрытых предметов, руд. По принципу действия напоминает металлоискатель, только реагирует на слабомагнитные металлические объекты и крупные неметаллические магнетики, имеющим собственное остаточное поле. В США, например, была программа «Rock magnetic»: ученые летали с таким магнитометром над разломами Большого каньона и предсказывали землетрясения, поскольку сдвиги коры приводят к механическим напряжениям и изменениям магнитного поля. Одно из новых направлений связано с медициной: благодаря чувствительным магнитометрам делают магнитокардиограммы, а также энцефалограммы. По информативности они, наверное, не сильно богаче электрокардиограмм, зато позволяют исследовать, например, сердце плода в чреве матери, так как вычленяют тихий локальный сигнал.

— В произведениях фантастов с помощью квантовых интерферометров можно читать мысли и записывать воспоминания на флешку. Вспомнилось об этом, когда недавно «Росатом» представил прибор для выявления центров желаний в мозге как раз на основе подобных технологий.

— По поводу центра желаний ничего сказать не могу, но вообще нейрофизиологи проводят с помощью таких приборов очень тонкие исследования, которые позволяют определить, из какой зоны головного мозга идет аномальное возбуждение при эпилепсии. Это очень перспективное направление, так как магнитные поля, излучаемые головным мозгом, в миллионы раз слабее магнитного поля Земли и потому могут быть зарегистрированы только с помощью приборов на основе сверхпроводников. Однако пока они крайне дороги (стоят 1–1,5 млн долларов.— «О»), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что должна работать сложная и дорогая криогенная система.

— В 80-е вы делали первые в стране джозефсоновские переходы, что они собой представляли?

— Тогда мы их делали по довольно грубой технологии с помощью прокатного стана. Прокладывали между пластинками сверхпроводника тантала фольгу из меди и засовывали в вакуумный пресс. Получили «рекордную» толщину нормального металлического слоя, проводящую джозефсоновский ток (до 50 мкм). Для того чтобы мерить такие системы, нужна очень большая чувствительность по электрическому напряжению, поэтому на основе своего магнитометра и мостовой схемы (мостик Уинстона) мы сделали измерительный прибор пиковольтметр («пико» — одна триллионная часть.— «О»).

— За эти работы вы получили престижную по тем меркам премию Ленинского комсомола с формулировкой «за выдающиеся достижения в области науки и техники».

— Да, мы наблюдали «термоэлектрический аналог эффекта Джозефсона». Это была почетная премия, но небольшая, поэтому мы в тот же день пошли отметить это событие в ресторан «Славянский базар», где она и осталась. Премию, кстати, получил целый коллектив за несколько различных эффектов, где было несколько людей, которые потом сыграли большую роль в развитии сверхпроводниковой электроники, например, замечательный физик-теоретик Александр Буздин, который сейчас работает в Бордо и с которым мы сотрудничаем. С ним мы сделали другую интересную работу, связанную с сосуществованием ферромагнетизма и сверхпроводимости. Это достаточно смелая идея, потому что эти два явления с точки зрения физики настоящие «враги». Мы придумали делать особые слоистые структуры из таких различных материалов, они теперь используются в сверхпроводящей электронике и квантовых технологиях.

В 1990-е я стал заведующим лабораторией сверхпроводимости в ИФТТ в Черноголовке, там мы воспитали много совершенно замечательных ребят, которые почти все съехали за границу. С ними, кстати, мы не поссорились, а наоборот, всегда поддерживали очень хорошие научные и личные отношения. Именно благодаря этому я стал заниматься созданием квантовых структур — кубитов. Прежде всего этому способствовал мой бывший ученик Алексей Устинов, который работал сначала в Италии и Дании, а потом в Германии (сейчас — директор Института физики в Карлсруэ и одновременно сотрудник Российского квантового центра и НИТУ «МИСиС».— «О»). В итоге, когда в 2016-м благодаря Фонду перспективных исследований возник проект по разработке технологии обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов, оказалось, что я один из немногих ученых, занятых этой темой, который постоянно проживает в России.

— Почему, кстати?

— Сейчас это не очень модно произносить, но я, наверное, патриот. Есть замечательные места в мире, отличные лаборатории для работы, и нужно обязательно всюду ездить и общаться, но я очень радуюсь, когда люди возвращаются обратно в Россию. Так получилось, что квантовая тема сегодня собрала в России много замечательных умов, которые когда-то уехали из страны.

— А как вы оказались мэром Черноголовки? Тоже патриотизм?

— Эта идея стихийно возникла в годы перестройки среди ученых Черноголовки. Мы решили тогда, что городом должны управлять честные люди, имеющие отношение к науке. Договорились: будем занимать пост мэра по очереди один год. Я был первым и, к сожалению, последним. Года хватило, чтобы понять, насколько политика — грязное дело. За мной мэром стал некий управленец, к науке отношения не имеющий, который испортил весь наш идеальный план. Больше мы в эти игры не играли. А вместо нас в политику пришли олигархи.

— Вернемся к физике. Выходит, в 2016-м вам предстояло сделать квантовый кубит с нуля. И что удалось на настоящий момент?

— Мы, а это несколько взаимодействующих команд из семи институтов, разработали технологию создания сверхпроводящих однокубитных и двухкубитных схем и прототипа небольшого квантового процессора. Продемонстрировали однокубитные и двухкубитные квантовые логические операции, позволяющие создавать квантовую запутанность. При этом точность однокубитных операций превысила 99 процентов, точность двухкубитных — 90 процентов, что позволило продемонстрировать на двухкубитной схеме настоящий квантовый алгоритм Гровера — решение задачи перебора (это и сделал компьютер в МИСиС — «О»). Алгоритм Гровера является основой для создания сверхбыстрых баз данных, работающих с огромными массивами данных и способных в считанные мгновения находить в них нужную информацию. Первый кубит, который мы сделали в 2016-м, жил менее одной микросекунды. А сейчас — порядка 50 микросекунд. На самом деле эта величина близка к той, которая сегодня достигнута в мире в реально используемых «пробных» процессорах, так что мы за три года сделали то, что в других странах создавали около двух десятков лет.

— Сколько нужно кубитов для полноценного квантового компьютера?

— Чтобы продемонстрировать реальное квантовое превосходство, надо собрать несколько десятков кубитов. Но проблема в том, что уже 30–50 кубитов обеспечивают такие решения, которые невозможно проверить на самом мощном современном компьютере. Сейчас Google представил 72-кубитный компьютер, для доказательства «квантового превосходства» им приходится делить всю структуру на небольшие кластеры, вычисления на которых возможно проверить на обычном мощном компьютере. Поэтому мы поставили для себя задачу остановится на том пределе, который проверяется на обычных самых мощных компьютерах, то есть примерно 20–30 кубитов. Это можно будет использовать для выполнения реальных задач, связанных с поиском новых материалов, в частности, для атомной промышленности.

— В этом году IBM впервые в мире открыла коммерческий доступ через облачный сервис к квантовому компьютеру IBM Q, который находится в штаб-квартире компании в Нью-Йорке. Что он собой представляет?

— В IBM создана такая 20-кубитная система, в которой кубиты имеют времена жизни несколько большие, чем 50 микросекунд. Ребята из нашей лаборатории пытались использовать этот сервис для вычислений в области материаловедения, но пока, надо признать, все работает довольно неважно. По крайней мере, эмуляция на обычном компьютере дает более точные результаты.

Охладить цифру

— Создание технологии с нуля впечатляет, правда, вы сказали, что создание квантового компьютера затягивается. Также известно, что развитие обычных компьютеров тоже заходит в тупик: делать все более мощную технику трудно. Где же выход?

— Это так, но на деле сегодня существует довольно много разных альтернативных нарождающихся «электроник»: молекулярная электроника, одноэлектроника и так далее. На мой взгляд, самая перспективная среди них — цифровая сверхпроводящая электроника.

И здесь Россия могла бы не догонять весь остальной мир, как нам приходится делать в квантовых технологиях, а стать первой.

— Почему именно в этом направлении?

— Впервые о такой электронике заговорили в 1980-х у нас в стране. Это был профессор Константин Лихарев из МГУ, который затем переехал в США в Университет Стоуни-Брук. В России тоже осталось несколько групп, которые этим занимаются.

— В чем ее смысл, преимущества и недостатки?

— Суть очень проста: если в обычном компьютере в состояние нуля или единицы переключается транзистор, то здесь в качестве переключателя используются сверхпроводящие элементы. Сначала использовались элементы, которые в состоянии «ноль» находились в сверхпроводящем состоянии, а в состоянии «единица» происходили в состояние, где есть какое-то сопротивление. Лихарев с сотрудниками предложил куда более изящную сверхпроводящую электронику — так называемую одноквантовую логику (Rapid Single Flux Quantum), которая оперирует не с переключениями, а с квантами магнитного потока.

Сверхпроводящие системы потребляют очень мало энергии, и они очень быстрые, можно даже сказать самые быстрые. Например, на стандартном сверхпроводящем элементе ниобии можно сделать электронику с тактовой частотой (мощностью вычислений.— «О») в сотни гигагерц. При этом самые мощные современные компьютеры работают с единицами гигагерц. Кстати, несколько лет назад нас звали участвовать в разработке джозефсоновской магнитной памяти для сверхпроводящего процессора в рамках американской программы, но так как заказ был связан с национальными интересами США, участие русских отменили.

— И кто занимается такой электроникой в мире?

— Очень сильно в этом направлении продвинулись японцы, есть две-три сильные группы в Европе. В США действует национальная программа С3 (Cryogenic Computing Complexity, IARPA), задачей которой является не столько создание сверхпроводникового вычислителя, сколько разработка и предложение приемлемой архитектуры для производства сверхпроводниковых суперкомпьютеров.

— А в России?

— В России это пока в основном лабораторные исследования. Не так давно наконец-то появилась отдельная лаборатория в головном предприятии «Росатома», где будут заниматься как фундаментальной наукой, так и разработкой реальных устройств.

— Вы не сказали о недостатках этой электроники, почему же она остается альтернативной?

— Технические недостатки понятны — пока она громоздкая и требует критически низких температур. Но это в данном случае не главное. Речь идет не об изобретении очередного устройства, а о смене всей концепции развития технологии электроники в стране. Это нам объяснили, когда мы пытались рассказать о своих идеях наверху. За привычной полупроводниковой электроникой стоит огромное количество производств, чьих-то интересов и миллионных вложений, так что на смену концепции может уйти не одно десятилетие. Но что сама смена произойдет, у нас сомнений не вызывает.